建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能源消耗火用分析評(píng)價(jià)＊

龔光彩，龔思越，韓天鶴，龔子徹，李水生，楊 勇

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

目前，能源已成為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素.2010年，中國(guó)建筑總能耗（不含生物質(zhì)能）為6.77億t，占全國(guó)總能耗的20.9%[1]，建筑節(jié)能的研究顯得尤為迫切.影響建筑能耗的主要因素有氣候、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑的運(yùn)行與維護(hù)，以及室內(nèi)熱源等.從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角度，許多學(xué)者大多致力于研究體形系數(shù)，窗墻比，保溫措施，遮陽(yáng)等對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)空調(diào)負(fù)荷的影響，沒(méi)有將圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分作為整體考慮，更沒(méi)有考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗.況且，在中國(guó)建筑業(yè)飛速發(fā)展的過(guò)程中，出現(xiàn)了大量的“爛尾樓”，這些建筑浪費(fèi)了大量的能源、資源，造成了非常嚴(yán)重的社會(huì)影響.研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗水平，對(duì)從宏觀(guān)上把握這些建筑的能源浪費(fèi)情況，具有非常積極的意義.

本文提出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程包括3部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需建材的生產(chǎn)制造階段、建材及構(gòu)件從出廠(chǎng)到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸階段以及現(xiàn)場(chǎng)施工階段.目前，中國(guó)建材生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源約占全社會(huì)總能耗的16.7%[2]，且在發(fā)展中國(guó)家，建材生產(chǎn)能耗占圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗的90%以上[3].文獻(xiàn)[3－7]對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗、溫室氣體排放水平都作了相關(guān)研究.然而，這些研究均采用的是能分析方法，沒(méi)有考慮能量“質(zhì)”的差別.

基于熱力學(xué)第二定律的火用分析法能將各種不同“質(zhì)”和“量”的能量區(qū)別開(kāi)來(lái)，能真實(shí)地反映能量的“量”和“質(zhì)”的轉(zhuǎn)化和損失情況，有效地揭示出用能薄弱環(huán)節(jié).在優(yōu)化建筑能量系統(tǒng)方面，是一種非?？茖W(xué)可行的方法，并被許多研究者[8－11]廣泛應(yīng)用.將火用分析法應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程，定量計(jì)算比較單位建筑面積能耗，火用耗，并通過(guò)火用能比來(lái)評(píng)價(jià)建筑能源利用的可持續(xù)性，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)了解“爛尾樓”能耗現(xiàn)狀具有積極意義，也可為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)建造提供參考.

1 研究方法

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生非常重要的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需建材的生產(chǎn)制造，運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)組裝或施工建造都將消耗大量的能源和排放大量的溫室氣體.在中國(guó)主要建材使用環(huán)境影響中，近70%來(lái)源于化石能源消耗，30%左右來(lái)源于化石能源消耗伴隨的污染物排放環(huán)境影響，資源消耗的環(huán)境影響相對(duì)較小[12].考慮到相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲得性以及研究目的，本文主要研究建材生產(chǎn)制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程一次能源消耗情況，并運(yùn)用火用方法進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

1.1 火用與燃料火用

在周?chē)h(huán)境條件下任一形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q(chēng)為該能量的火用或有效能[13].火用值的計(jì)算離不開(kāi)參考環(huán)境的選取，本文選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，25℃作為參考環(huán)境狀態(tài).忽略物理火用的影響，則燃料的化學(xué)火用可按下式估算[14]：

式中：εf為燃料的化學(xué)火用值；Hf為燃料的高位發(fā)熱量；γf為燃料的含火用系數(shù).當(dāng)環(huán)境狀態(tài)偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，一般情況下，壓力變化很小，對(duì)燃料火用的影響可忽略[13].

從公式（1）可以看出，含火用系數(shù)可以表示為燃料所含火用值與其能量值之比，即

燃料的含火用系數(shù)說(shuō)明了燃料所含的能量中有效能所占的比例，對(duì)于固體燃料可取1，對(duì)氣體燃料取0.95，對(duì)液體燃料取0.975[13].

1.2 火用能比

既然燃料的含火用系數(shù)表征了燃料所含的能量中有效能（火用）所占的比例，那么是否可以用一個(gè)相似的系數(shù)來(lái)表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程各階段以及建材生產(chǎn)制造階段所消耗能源的能量值與其所含火用值的關(guān)系，以此來(lái)反映建筑對(duì)優(yōu)質(zhì)能源的利用程度，評(píng)價(jià)建筑能源利用是否可持續(xù).針對(duì)這一問(wèn)題，提出了火用能比的概念.所謂火用能比是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程各階段或者某種建材生產(chǎn)制造階段火用耗（Ex）與其能耗（Q）之比，用EQR表示，即

火用能比越小，說(shuō)明建造過(guò)程各階段有效能（火用）的消耗越小，在建材生產(chǎn)制造所消耗能源結(jié)構(gòu)中，高品質(zhì)能源的消耗越小.

電的火用值等于其熱量值.但電力來(lái)自于不同的發(fā)電類(lèi)型，電力綜合能源火用值，應(yīng)該根據(jù)各發(fā)電能源類(lèi)型綜合考慮.中國(guó)電力主要有火電，水電，核電和風(fēng)電等.2009年，中國(guó)發(fā)電量為35 874億kWh，其中水電4 961億kWh，火電29 901億kWh，其余為核電、風(fēng)電和其他發(fā)電[15].由此可知，2009 年水電占比13.8%，火電（主要為原煤發(fā)電）占比83.4%，核電、風(fēng)電和其他發(fā)電占比2.8%.其中核電的能源火用值取電力熱量值，水電火用值取水電熱量值，其他可再生能源電力火用值取電力熱量值，中國(guó)電力發(fā)熱量為3 600kJ／kWh，能源供應(yīng)火用效率原煤為0.321，水電、核電以及可再生能源發(fā)電為100%[12].則2009年火力發(fā)電，水力發(fā)電，核電、風(fēng)電等能源火用 值分別為 11 215，3 600，3 600kJ／kWh.電力綜合能源火用值即為各發(fā)電能源火用值加權(quán)值9 951kJ／kWh.

1.3 火用耗計(jì)算

1.3.1 建材生產(chǎn)階段火用耗

建材作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造的基本原料包括水泥、鋼材、玻璃、混凝土及其砌塊等.在滿(mǎn)足建筑業(yè)及人類(lèi)生產(chǎn)生活物質(zhì)保障的同時(shí)，建材及其構(gòu)件的生產(chǎn)制造都會(huì)消耗大量的能源.例如，1kg鋼的能源消耗清單如表1所示.單位某種建材生產(chǎn)階段火用耗可用下式計(jì)算：

式中：Exm，p為單位某種建材生產(chǎn)火用耗；εf，i為某種建材生產(chǎn)所消耗的能源結(jié)構(gòu)中第i種燃料的燃料火用；mi為單位某種建材生產(chǎn)階段第i中燃料的消耗量.

表1 1kg鋼的能源消耗清單[1 6]Tab.1 Energy consumption list for producing 1kg steel

1.3.2 運(yùn)輸過(guò)程火用耗

本文中建材運(yùn)輸火用耗僅考慮建材及構(gòu)件從出廠(chǎng)到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過(guò)程火用耗.在中國(guó)，建材主要通過(guò)公路和鐵路2種運(yùn)輸方式，鐵路一般用于長(zhǎng)距離運(yùn)送，而建筑材料的運(yùn)輸一般是就近原則，采取公路運(yùn)輸?shù)姆绞捷^多[17].文獻(xiàn)[18]表明公路貨運(yùn)車(chē)輛使用的燃料97.5%為柴油，根據(jù)田建華[19]對(duì)中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)單位能源消耗量的研究，道路貨物運(yùn)輸中柴油車(chē)的單位能源消耗量為6.3L／（100t·km）.假設(shè)所有建筑材料均使用以柴油為燃料的公路運(yùn)輸，且假設(shè)相關(guān)運(yùn)輸距離為50km，則某種建材運(yùn)輸火用耗等于燃油的用量與其燃料火用的乘積，按下式計(jì)算：

式中：mf，j為運(yùn)輸過(guò)程燃油的用量，kg；R為運(yùn)輸能耗強(qiáng)度，L／（100t·km）；ρ為燃油的密度，kg／L；mj為某種建材的用量，100t；L為運(yùn)輸過(guò)程中建材j的損耗率，%；d為運(yùn)輸距離，km；Exm，t為某種建材運(yùn)輸火用耗，kJ；εf，f為燃油內(nèi)含火用值，kJ／kg.

1.3.3 施工過(guò)程火用耗

施工過(guò)程是建筑生命周期能源消耗的重要環(huán)節(jié).本文從常用施工機(jī)械設(shè)備的燃料動(dòng)力用量及燃料動(dòng)力內(nèi)含火用的角度，分析施工階段火用耗.文獻(xiàn)[20]給出了常用施工機(jī)械的臺(tái)班單價(jià)，人工及燃料動(dòng)力用量，其中每臺(tái)班機(jī)械的柴油、汽油、電、煤等的消耗見(jiàn)表2.本文以其中每臺(tái)班機(jī)械耗能及該能源內(nèi)含火用為依據(jù)，結(jié)合施工方提供的工程量清單計(jì)算施工火用耗.某種施工機(jī)械每臺(tái)班火用耗按下式計(jì)算：

Exm，c＝mtεf，c. （7）式中：Exm，c為某種施工機(jī)械每臺(tái)班火用耗，kJ；mt為某種施工機(jī)械每臺(tái)班的燃料動(dòng)力用量，kg或kWh；εf，c為 所 消 耗 燃 料 動(dòng) 力 的 內(nèi) 含 火用，kJ／kg 或 kJ／kWh.

表2 常用施工機(jī)械每臺(tái)班能耗[2 0]Tab.2 Energy consumption of each machine－team for major construction machinery

1.4 能耗計(jì)算

1.4.1 建材生產(chǎn)階段能耗

建筑建造過(guò)程消耗大量的建材，計(jì)算建材生產(chǎn)能耗主要是確定建材的種類(lèi)及用量，以及生產(chǎn)單位建材過(guò)程中能源的種類(lèi)和用量.單位建材的能耗可以用單位含能來(lái)表示，所謂含能[21]，是指生產(chǎn)建筑材料全過(guò)程中所消耗能量的總和.表3給出了主要單位建材產(chǎn)品的內(nèi)含能，某種建材生產(chǎn)階段能耗可按下式計(jì)算：

式中：Em，p為某種建材生產(chǎn)能耗，kJ；mj為某種建材的用量，m3或kg等；L為運(yùn)輸過(guò)程建材的損耗率，%；Ee，j為建材的單位含能，kJ／單位.

表3 主要建材生產(chǎn)階段單位能耗數(shù)據(jù)表[2 2－2 4]Tab.3 The unit energy consumption data of main building materials production

1.4.2 運(yùn)輸過(guò)程能耗

建材運(yùn)輸能耗考慮建材及構(gòu)件從出廠(chǎng)到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過(guò)程消耗的能源，相關(guān)假設(shè)同建材運(yùn)輸火用耗.某種建材運(yùn)輸過(guò)程能耗可按下式計(jì)算：

式中：Em，t為某種建材運(yùn)輸過(guò)程能耗，kJ；mf為運(yùn)輸過(guò)程燃油的用量，kg；Ee，k為所消耗燃油內(nèi)含能，kJ／kg.

1.4.3 施工過(guò)程能耗

施工過(guò)程能源消耗主要來(lái)自于各種機(jī)械設(shè)備，如混凝土攪拌機(jī)、起重機(jī)等的運(yùn)行能耗.根據(jù)文獻(xiàn)[20]給出的常用施工機(jī)械每臺(tái)班機(jī)械的柴油、汽油、電、煤等的消耗，從燃料動(dòng)力內(nèi)含能的角度，分析施工階段能耗，施工機(jī)械臺(tái)班數(shù)從施工方提供的工程量清單獲取，施工過(guò)程能耗可按下式計(jì)算：

式中：Em，c為施工過(guò)程能耗，kJ；mt，i為第i種施工機(jī)械每臺(tái)班的燃料動(dòng)力量，kg或kWh；Ee，i為該施工機(jī)械所耗燃料動(dòng)力的內(nèi)含能，kJ／kg或kJ／kWh；Tb為施工工程量清單中記載的臺(tái)班數(shù).

2 案例應(yīng)用

湖南某研發(fā)中心總建筑面積5 644m2.建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，設(shè)計(jì)使用年限為50年.根據(jù)施工方提供的人工、主要材料、機(jī)械匯總表，并結(jié)合《全國(guó)統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額》，該建筑主要建材消耗量如表4所示.

表4 主要建材消耗量Tab.4 The main building materials consumption list of the R＆D center

3 結(jié)果與討論

1）建材生產(chǎn)制造階段單位面積能耗與火用耗及所占比例如圖1所示.由圖1可知，各類(lèi)建材生產(chǎn)階段單位面積能耗均大于火用耗.混凝土及其砌塊生產(chǎn)所需單位面積能耗最大，占整個(gè)建材生產(chǎn)階段能耗的44%，鋼材生產(chǎn)單位面積能耗次之，占比為41%，第3為土石質(zhì)類(lèi)建材（包括空心粘土磚、實(shí)心粘土磚以及石灰）占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比2%.建材生產(chǎn)單位面積火用耗鋼材最大，占整個(gè)建材生產(chǎn)階段火用耗的48%，混凝土及其砌塊次之，占比38%，土石質(zhì)類(lèi)建材占比10%，平板玻璃占比3%，水泥占比1%.從整體來(lái)看，鋼材和混凝土及其砌塊能耗和火用耗占比都最大，這與該研發(fā)中心這兩類(lèi)建材的大量使用有關(guān).比較能耗和火用耗占比可知，鋼材火用耗占比同其能耗占比相比較有所增加，而混凝土及其砌塊火用耗占比同其能耗占比相比較有明顯下降，這與各建材生產(chǎn)所需能源結(jié)構(gòu)不同有關(guān).

相關(guān)建材生產(chǎn)制造階段所消耗能源的火用值與能值之比如表5所示.由表5可知，鋼材的火用能比最大，說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程消耗的能源中火用值占比很大，生產(chǎn)所需能源結(jié)構(gòu)中高品質(zhì)能（電能）用量很多，這一點(diǎn)也可以從表1中鋼材能源消耗清單得出.

2）建材運(yùn)輸階段單位面積能耗與火用耗如圖2所示.由圖2可知，混凝土及其砌塊運(yùn)輸能耗與火用耗均最大，平板玻璃運(yùn)輸能耗與火用耗次之，這與該研發(fā)中心使用框架結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻導(dǎo)致混凝土和玻璃的大量運(yùn)輸有關(guān).土石質(zhì)類(lèi)、鋼材、平板玻璃、混凝土及其砌塊運(yùn)輸階段單位面積能耗與火用耗占比一致，分別為2%，3%，9%和86%，這與文中所假設(shè)的各類(lèi)建材運(yùn)輸距離相同，采用的運(yùn)輸方式相同有關(guān).

圖1 主要建材生產(chǎn)階段單位面積能耗與火用耗Fig.1 Energy and exergy consumption of unit building area in building materials production phase

表5 生產(chǎn)各類(lèi)建材的火用能比Tab.5 Exergy－energy ratio of various kinds of building materials in production stage

3）由于該研發(fā)中心施工過(guò)程各建材使用機(jī)械臺(tái)班數(shù)是統(tǒng)計(jì)在一起的，無(wú)法分開(kāi)計(jì)算，故只能計(jì)算該研發(fā)中心施工過(guò)程單位面積能耗，火用耗的平均水平.施工過(guò)程單位面積能耗和火用耗分別為133.9和112.1MJ／m2.

圖2 主要建材運(yùn)輸階段單位面積能耗與火用耗Fig.2 Energy and exergy consumption of unit building area in building materials transportation phase

4）該研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程總能耗，火用耗如表6所示.由表6可知，該建造過(guò)程單位面積總能耗為5 943.7MJ／m2，總火用耗為4 699.1MJ／m2.建材生產(chǎn)階段無(wú)論是能耗，火用耗其比重均達(dá)到90%以上，可見(jiàn)建材生產(chǎn)階段節(jié)能迫在眉睫.建材運(yùn)輸與施工過(guò)程火用耗占比大于能耗占比，這兩部分的節(jié)能潛力不容忽視.整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程火用能比為0.79，運(yùn)輸過(guò)程火用能比高達(dá)0.97，節(jié)能、節(jié)火用刻不容緩.

表6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程單位面積總能耗，火用耗，火用能比Tab.6 The total energy and exergy consumption and exergy－energy ratio in building envelop construction

4 結(jié) 論

本文通過(guò)建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗與火用耗的計(jì)算方法，定量計(jì)算分析了某研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗與火用耗水平，以及火用能比狀況，得出如下結(jié)論：

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程單位面積總能耗和總火用耗分別為5 943.7和4 699.1MJ／m2，整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程火用能比為0.79.

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程能耗主要來(lái)自于建材生產(chǎn)階段，建材生產(chǎn)制造階段火用能比為0.78，幾乎與整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程火用能比相當(dāng).其中鋼材，混凝土及其砌塊，土石質(zhì)類(lèi)建材生產(chǎn)制造火用能比較大，分別為0.92，0.68，0.73.優(yōu)化建材生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)過(guò)程中高品質(zhì)能源的用量，是降低建材生產(chǎn)制造能耗的關(guān)鍵.

3）混凝土及其砌塊，土石質(zhì)類(lèi)建材，鋼材以及平板玻璃的運(yùn)輸能耗是該研發(fā)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造過(guò)程運(yùn)輸能耗的主要來(lái)源.運(yùn)輸過(guò)程火用能比高達(dá)0.97，節(jié)能、節(jié)火用刻不容緩.對(duì)建筑工程來(lái)說(shuō)，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)建立混凝土攪拌站，對(duì)于離生產(chǎn)廠(chǎng)家較遠(yuǎn)的建材，應(yīng)就地就近取材，以降低運(yùn)輸能耗.

4）結(jié)果可為研究“爛尾樓”能耗現(xiàn)狀提供數(shù)據(jù)參考，同時(shí)本文提出的火用分析評(píng)價(jià)計(jì)算方法可以應(yīng)用于類(lèi)似建筑，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可持續(xù)建造提供參考.

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