移動式無水生態(tài)衛(wèi)生間節(jié)能減碳潛力的參數(shù)化模擬分析*

黃普希 羅 丹 張 勃 朱亞敏 沈 揚

(1.北方工業(yè)大學, 北京 100144; 2.中國電子設計研究院, 北京 100142; 3.光大生態(tài)技術有限公司, 北京 100043)

國際能源署發(fā)布的最新報告[1]指出:建筑業(yè)目前消耗的能源總量將近全球終端能源消耗量的三分之一,直接二氧化碳排放量也接近全球總體終端排放量的15%。在建筑行業(yè)中實現(xiàn)節(jié)能減排將會對全球節(jié)能減排產(chǎn)生顯著的貢獻。我國自2015年簽署《巴黎協(xié)定》以來,積極踐行節(jié)能減排,截至2019年底已提前實現(xiàn)了承諾2020年實現(xiàn)的碳排放目標。[2]中國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》[3]中對超低能耗、近零能耗建筑、裝配式建筑的建設面積也提出了具體目標。

衛(wèi)生間作為重要的衛(wèi)生設施建筑,正廣泛地應用于中國的公共場所、美麗鄉(xiāng)村的建設中。[4]因此,對衛(wèi)生間節(jié)能減排的效果有必要進行系統(tǒng)的評估。黨成成等從太陽能發(fā)電量、自然通風應用以及圍護結構節(jié)能改造等方向上量化了衛(wèi)生間建筑節(jié)約的能耗。[5]劉心笛對冀南山區(qū)農(nóng)廁節(jié)能改造在成本上、節(jié)水潛力上進行了較為系統(tǒng)的評估。[6]劉美霞等對預制式整體衛(wèi)生間生產(chǎn)階段的碳排放進行了較為系統(tǒng)的計算。[7]但是,通過對目前已有文獻的調研發(fā)現(xiàn),典型衛(wèi)生間建筑全年運行能耗的量化研究仍然須要深入,系統(tǒng)性評估仍須進行。移動式衛(wèi)生間的全年能耗基準多為未知,導致無法計算節(jié)約的能耗是否能抵消全年能耗。如此,設計近零能耗衛(wèi)生間建筑難免淪為空談。

為量化移動式生態(tài)無水衛(wèi)生間在中國代表性氣候區(qū)域中的能耗基準,借助能耗分析軟件,量化使用低碳建筑設計手法所節(jié)省的碳排量。首先聚焦于量化移動式無水生態(tài)衛(wèi)生間的基準能耗,并提出相應的低碳設計手段,量化評估設計手段節(jié)省的碳排量。鑒于移動式無水生態(tài)衛(wèi)生間是使用生物分解細菌和鋸末填料分解排泄物的,其反應溫度須維持在20～40 ℃才能使便溺有效分解,因此,對衛(wèi)生間的供暖負荷提出了比較嚴格的要求。如何在這個要求的基礎上盡量節(jié)能是研究的重點。

1 研究方法

1.1 研究對象

移動式無水生態(tài)衛(wèi)生間是使用微生物發(fā)酵作用分解便溺物質的、可移動的旱廁(簡稱“移動式衛(wèi)生間”)。“移動式衛(wèi)生間”典型的形狀如圖1所示。

圖1 典型的“移動式衛(wèi)生間”外形Fig.1 Appearances of “classical movable restrooms”

“移動式衛(wèi)生間”的設備能耗的主要來自馬桶,馬桶中鋸末為微生物發(fā)酵的媒介性物質,馬桶中的溫度須要維持在20～50 ℃、相對濕度介于40%～70%,以保證微生物的活性。馬桶需要電加熱裝置、泵、通風風扇來維持馬桶內(nèi)部。所有設備總功率為150 W。馬桶的形狀如圖2所示。移動式衛(wèi)生間的內(nèi)部主要組成部分如圖3所示。

圖2 “移動式衛(wèi)生間”的馬桶裝置Fig.2 Devices in a toilet of movably anhydrously ecological restrooms

圖3 “移動式衛(wèi)生間”內(nèi)部示意Fig.3 The interior of movably anhydrously ecological restrooms

1.2 能耗模擬方案

使用Rhinoceros Grasshopper平臺對“移動式衛(wèi)生間”進行參數(shù)化建模,使用ladybug tools插件中的Energy Plus引擎進行能耗模擬,Radiance引擎用于建筑采光模擬,用于能耗模擬的模型尺寸見圖4。

圖4 模擬模型尺寸 mFig.4 Dimensions of simulated models

“移動式衛(wèi)生間”圍護結構使用的材料與其熱工參數(shù)見表1。

表1 “移動式衛(wèi)生間”圍護結構的材料熱工參數(shù)Table 1 Thermal property indexes for enclosure structureof movably anhydrously ecological restrooms

1)為墻體的傳熱系數(shù)。

“移動式衛(wèi)生間”的負荷主要包括:照明負荷、設備負荷、人員負荷、通風負荷、滲透風負荷。負荷列表見表2。

表2 “移動式衛(wèi)生間”負荷Table 2 Loads of movably anhydrouslyecological restrooms

“移動式衛(wèi)生間”的供熱溫度設定為14 ℃,由于菌種發(fā)酵溫度可達50 ℃,因此,移動式衛(wèi)生間可不考慮制冷,但是,在溫度超過35 ℃時,須開啟排風扇降溫。相對濕度設定上、下限為40%和70%。衛(wèi)生間運行時間表為全年365 d運行,每天0—5點、20—24點為無人狀態(tài),早6—7點、晚20—21點為50%負荷運行狀態(tài),其余時間均為100%滿負荷運行狀態(tài)。

1.3 碳排放計算方案

使用GB/T 51366—2019 《建筑碳排放計算標準》計算生態(tài)衛(wèi)生間運行階段產(chǎn)生的碳排放[8],見式(1):

(1)

式中:CM為建筑運行階段單位建筑面積碳排放量;Ei為建筑第i類能源年消耗量;EFi為建筑第i類能源的碳排放因子,采用生態(tài)環(huán)境部應對氣候變化司2022年最新設置的0.581 t/(MW·h);Ei，j為j類系統(tǒng)的第i類能源消耗量;ERi，j為j類系統(tǒng)消耗由可再生能源系統(tǒng)提供的的第i類能源量;i為建筑消耗終端能源類型,包括電力、燃油、石油、市政熱力等;j為建筑用能系統(tǒng)類型,包括供暖空調、照明、生活熱水系統(tǒng)等;Cp為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量,kg/a;y為建筑設計壽命,a;A為建筑面積,m2。

2 結果和分析討論

2.1 中國典型城市的基準建筑能耗

將氣候數(shù)據(jù)導入后進行模擬,可得出“移動式衛(wèi)生間”在GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》[9]規(guī)定的我國(Ⅰ～Ⅶ)7個大氣候分區(qū)、20個分支氣候分區(qū)所產(chǎn)生的能耗以及各項能耗的分布情況。由圖5可知:氣候分區(qū)Ⅰ、Ⅵ、Ⅶ包含的城市中移動式衛(wèi)生間的供暖負荷所占比例較大,II區(qū)開始設備能耗占主導地位,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)供暖能耗的比例較低。照明負荷、設備負荷在所有分區(qū)均為固定值,這類負荷在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)所占比例較高。

圖5 “移動式衛(wèi)生間”在典型城市的能耗基準Fig.5 Energy-consumption benchmark of movably anhydrously ecological restrooms in operation in the typical cities

2.2 節(jié)能手段的介入和評估

2.2.1圍護結構外保溫

由圖5可知:我國I、VI、VII氣候分區(qū)為嚴寒、寒冷地區(qū),供暖負荷所占總能耗的比例最大。因此,這些區(qū)域應優(yōu)先加強圍護結構的保溫性能?；鶞蕝⒖冀ㄖ褂玫氖莾蓪硬输摪逯虚g加入礦棉保溫層的三層墻板結構,墻體的傳熱系數(shù)為0.58 W/(m2·K)。如使用重組竹面板代替彩鋼板,中間保溫材料替換為真空保溫板。真空保溫板的熱導率為:0.008 W/(m·K),密度為15 kg/m3,比熱容為1 220 J/(kg·K)在墻體總厚度不變的情況下,墻體的傳熱系數(shù)將降為0.11 W/(m2·K)。

a—優(yōu)化前、后供暖能耗; b—優(yōu)化百分比。優(yōu)化比=(建筑基準能耗-優(yōu)化后的能耗)/建筑基準能耗。圖6 墻體保溫優(yōu)化前、后的供暖負荷Fig.6 Energy consumption of supplying heating before and after thermal insulation optimization for enclosure structures

經(jīng)模擬計算發(fā)現(xiàn):除南寧、廣州、成都、昆明、貴陽、拉薩這幾個城市出現(xiàn)能耗上升的情況外,其他均有明顯下降(圖6)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這幾個城市出現(xiàn)能耗上升的原因在于:雖然保溫手段所用的墻體方案,將熱傳導率降到了較低的程度,但是其熱擴散率比原有墻體方案還要高;而且熱惰性指標也較低,冬日的日照得熱不能很好利用。因此,針對這幾個城市的氣候特點,在這幾個城市將保溫材料替換為酚醛硬質泡沫保溫板,其熱工參數(shù):熱導率為0.035 W/(m·K)、密度為200 kg/m3、比熱容為1 470 J/(kg·K)。優(yōu)化后的墻體傳熱系數(shù)為0.45 W/(m2·K)。

由圖7可知:在應用酚醛硬質泡沫保溫板后,南寧、廣州、成都、昆明、貴陽、拉薩這幾個城市的供暖負荷優(yōu)化有了明顯提升。外墻保溫對嚴寒、寒冷城市的供暖負荷的降低具有顯著效果。另外,成都由于其供暖負荷基數(shù)較低,在相對優(yōu)化百分比上也體現(xiàn)出了明顯效果。

a—優(yōu)化前、后供暖能耗; b—優(yōu)化百分比。圖7 墻體熱擴散率、熱惰性優(yōu)化前、后的供暖負荷結果Fig.7 Energy consumption of supplying heating before and after optimization for thermal diffusivity and thermal inertia of enclosure structures

在優(yōu)化完墻體熱工性能后,繼續(xù)優(yōu)化窗體的熱工性能。窗體由單層玻璃窗,替換為三層玻璃窗,窗體兩個腔體充填氬氣密封。此方案可將窗體的傳熱系數(shù)由5.75 W/(m2·K)降低至1.62 W/(m2·K)。由圖8可知:窗體熱工性能優(yōu)化后,供暖負荷獲得了進一步優(yōu)化,克拉瑪依的優(yōu)化最為顯著,窗體的優(yōu)化使建筑在冬日蓄積的日照得熱更多,使“移動式衛(wèi)生間”在墻體熱工性能優(yōu)化的基礎上又提高了近40%。

a—優(yōu)化前、后供暖能耗; b—優(yōu)化百分比。圖8 窗體優(yōu)化前、后的供暖負荷結果Fig.8 Energy consumption of supplying heating before and after window optimization of enclosure structures

2.2.2氣密性優(yōu)化

“移動式衛(wèi)生間”原有的風滲透率為6.0×10-4m3/(s·m2)。為減少冬季冷風滲透導致的熱損失,將“移動式衛(wèi)生間”的圍護結構進行氣密性優(yōu)化,使其風滲透率降至1.0×10-4m3/(s·m2)。由圖9可知:氣密性優(yōu)化后,冷風滲透所帶走的熱量被壓縮至極低水平,進一步顯著削減了供暖負荷。這在冬季風頻較高、風速較大的城市中表現(xiàn)尤其明顯。

a—優(yōu)化前、后供暖能耗; b—優(yōu)化百分比。圖9 氣密性優(yōu)化前、后的供暖負荷結果Fig.9 Energy consumption of supplying heating before and after airtightness optimization of enclosure structures

2.2.3過熱通風修正

盡管“移動式衛(wèi)生間”由于考慮反應菌種的生長,采取了溫度較高的無制冷策略,但在氣密性較高的情況下,仍會出現(xiàn)夏季過熱的情況,須要通風降溫。采取的策略是自然通風,在室溫超過35 ℃時打開自然通風風閥,打開風閥需要10 W的開關兩個,其開閉時間各需30 s。

此控制邏輯須要獲得模擬結果后,提取出室內(nèi)溫度超過35 ℃的小時數(shù),再根據(jù)小時數(shù)是否連續(xù)進行算法分析判斷,進一步提取數(shù)據(jù)獲得風閥啟停時間段,最終得出各個城市需要過熱通風的時間段數(shù)量和全年開關風閥所產(chǎn)生的能耗(圖10)。

a—優(yōu)化前、后通風能耗; b—優(yōu)化百分比。圖10 過熱通風所耗費的風閥能耗Fig.10 Energy consumption of blast gates due to excessive temperature for ventilation

由圖10可以看出:被動式自然通風所消耗的能耗非常低,最高只有0.063 kW·h/m2。但該措施卻可以成為“移動式衛(wèi)生間”在過熱時間段實現(xiàn)自然通風的重要手段,對提高氣密性所造成的夏季過熱情況進行緩解。

2.2.4采光優(yōu)化

“移動式衛(wèi)生間”既有的采光設備是一個28 W的吸頂燈,按照營行的時間表滿負荷運行。全年固定耗能是106.2 kW·h/m2。為了將采光能耗降低,引入自然采光,并配以功率2 W的補償發(fā)光二極管照明燈。節(jié)能策略為:模擬移動式衛(wèi)生間各地自然光全年照度,只在自然采光照度低于75 lx的時間段下自動開啟照明。

a—優(yōu)化前、后照明能耗; b—優(yōu)化百分比。圖11 照明優(yōu)化前、后的照明負荷Fig.11 Energy consumption before and after lighting optimization

a—照明能耗;b—人工照明時長。人工照明介入小時; 照明能耗。圖12 照明優(yōu)化后的人工照明時長和能耗Fig.12 Duration and energy consumption of artificial lighting after lighting optimization

由圖11、圖12可知:補償照明方案的節(jié)能效果顯著,在每個城市的節(jié)能潛力均達95%以上。雖然人工照明介入時長為2 115～2 925 h,但其能耗只有2.94～4.06 kW·h/m2,有效減少了人工照明產(chǎn)生的能耗。

2.2.5設備能耗優(yōu)化

“移動式衛(wèi)生間”既有的設備能耗為150 W,其中加熱元器板為85 W, 填料攪拌電機為50 W,風扇為10 W,控制電路為5 W。全年固定基準耗能為570.5 kW·h/m2。此能耗為按時間表滿負荷運轉實現(xiàn)的。但其實加熱板的功率可以進一步優(yōu)化。節(jié)能策略為:使用陶瓷加熱板,可將原有加熱板功率降低為45 W。另外,將控制邏輯設置為僅在室內(nèi)溫度低于20 ℃時開啟,將進一步節(jié)省設備運行能耗。

由圖13、圖14可知:設備能耗的優(yōu)化效果也十分明顯,尤其體現(xiàn)在氣候較為溫和、炎熱的地區(qū)。嚴寒、寒冷地區(qū)的啟動小時數(shù)量確實高于其他較為溫和的氣候區(qū)域。另外,填料攪拌電機與風扇是聯(lián)動的,這兩個設備能耗為每年228.1 kW·h/m2。節(jié)能策略為,可將運行頻率由一直運行,降為運行1 min,休息4 min。這樣可將原有固定能耗降為45.6 kW·h/m2。

a—加熱板優(yōu)化前后能耗; b—優(yōu)化百分比。圖13 加熱板優(yōu)化前、后的加熱板耗能Fig.13 Energy consumption of heating plates before and after optimization for heating plates

a—加熱板工作時間; b—加熱板能耗。圖14 加熱板優(yōu)化后的加熱板工作時間和耗能Fig.14 Duration and energy consumption of heating plates after optimization of heating plates

設備能耗的總體優(yōu)化情況如圖15所示。

由圖15可知:設備能耗的優(yōu)化效果也十分明顯,尤其體現(xiàn)在氣候較為溫和、炎熱的地區(qū)。優(yōu)化百分比由75.5%提高至85.5%。

a—優(yōu)化前、后設備的能耗; b—優(yōu)化百分比。圖15 設備優(yōu)化前、后的設備負荷Fig.15 Energy consumption of devices before and after device optimization

2.2.6運行階段耗能優(yōu)化總評估

圖16匯總了上述所有優(yōu)化設計手段后的數(shù)據(jù),可以看出:在各個城市建造“移動式衛(wèi)生間”的基準能耗與耗能優(yōu)化設計后的能耗對比十分明顯,節(jié)能潛力從69.2%到86.8%。

a—優(yōu)化前、后的總能耗; b—優(yōu)化百分比。圖16 “移動式衛(wèi)生間”優(yōu)化前、后的能耗Fig.16 Energy consumption of movably anhydrously ecological restrooms before and after optimization

2.2.7可持續(xù)能源的應用

可持續(xù)能源的介入可提供能源供給,將移動式衛(wèi)生間剩余的能耗抵消。由于“移動式衛(wèi)生間”的高度較矮,單位面積較小,風力發(fā)電設施的安裝具有一定的困難,且無法發(fā)揮風速優(yōu)勢。因此,主要討論太陽能電池板的發(fā)電量。太陽能電池板的安裝傾斜角度一般與當?shù)鼐暥认嗟?這樣理論上可以獲得最大的太陽直接輻射。研究首先獲得所模擬城市的緯度上、下限范圍,再根據(jù)氣候數(shù)據(jù)中的采樣緯度進行太陽能產(chǎn)能模擬。最后,使用機器學習方法,將所有城市0°～90°緯度內(nèi)產(chǎn)能計算出后,篩選最大值所對應的傾斜角度(精度為±1°)。由圖17a可知:所有氣候數(shù)據(jù)的采樣緯度均在城市緯度上、下限范圍內(nèi)。

a—太陽能電池板安裝角度; b—太陽能電池板發(fā)電量。緯度上限; 緯度下限; 氣象數(shù)據(jù)采集緯度; 最優(yōu)聚板安裝角度。圖17 各城市太陽能電池板最優(yōu)安裝角度和發(fā)電量Fig.17 Optimal installation angles of solar panels in different cities and the production capacity

南寧、廣州、成都、南京、上海、貴陽、西寧、哈密、烏魯木齊、克拉瑪依、蘭州、北京、呼和浩特、博克圖等城市的最優(yōu)發(fā)電角度均低于當?shù)鼐暥?是因為模擬不僅考慮太陽直接輻射,還考慮太陽散射輻射的影響。特別是多云、降雨頻繁的城市,其最大傾斜角度往往偏低于緯度。[10]

可持續(xù)能源發(fā)電介入后可進行運行階段零碳評估,以“移動式衛(wèi)生間”屋頂面積大小的太陽能電池板為基準,如果單位發(fā)電量單位耗能量比為1∶1則為運行階段零碳建筑。目前,可以此面積安裝太陽能電池板發(fā)電達到零碳、負碳建筑的城市有:南寧、廣州、南京、昆明等城市。其他城市若想達到運行零碳,須將屋頂面積乘以圖18所示比例系數(shù),得到太陽能電池板的面積。其中克拉瑪依的比例系數(shù)最高。

圖18 滿足運行零碳排法所需的太陽能電池板面積比例系數(shù)Fig.18 Scale factors of solar panels meeting requirements for operating zero carbon emission

2.2.8碳排放總評估

“移動式衛(wèi)生間”的基準碳排放與優(yōu)化后的碳排放可有由式(1)計算得出,假設“移動式衛(wèi)生間”只由電力進行能源供給,周圍沒有建筑綠地碳匯系統(tǒng)的減碳量,太陽能電池板按最優(yōu)角度安裝,但面積與屋頂面積相同,只計算1 a的碳排放量。由圖19可知:可持續(xù)能源介入后,建筑碳排放被進一步抵消。南寧、廣州、南京、昆明均可做到負碳運行。其他城市的碳排放削減也均高于82.49%。減碳絕對值最大的還是漠河這樣的極寒城市。額濟納旗在上述減碳手段應用后,產(chǎn)生的單位面積碳排放最高。

a—優(yōu)化前、后碳排放量; b—優(yōu)化百分比。圖19 “移動式衛(wèi)生間”總體優(yōu)化前、后碳排放對比Fig.19 Carbon emissions of movably anhydrously ecological restrooms before and after overall optimization

3 結束語

探討了移動式無水生態(tài)衛(wèi)生間在我國7大氣候分區(qū)20個分支氣候分區(qū)中的典型城市布置后,其運行階段的減碳潛力。通過參數(shù)化建模、能耗模擬、采光分析模擬對移動式衛(wèi)生間的運行能耗進行了計算。研究首先確定了這20個典型城市中移動式衛(wèi)生間的基準運行能耗。隨后從圍護結構外保溫、氣密性、過熱通風、采光、設備、可持續(xù)能源配置等方面進行了節(jié)能減碳優(yōu)化。

在移動式衛(wèi)生間既定的形態(tài)尺寸下,在南寧、廣州、成都、昆明、貴陽、拉薩這幾個城市進行墻體保溫時除了考慮降低傳熱系數(shù),還應在保溫材料的選擇上注意選用蓄熱性能較好、熱擴散率較低的保溫材料。在全國各大氣候分區(qū)均應盡量把氣密性做好,保證建筑的滲透熱損失降到最低,但是必須考慮夏季進行自然通風防止房間過熱。使用低能耗發(fā)光二極管燈代替原有燈管,以使照明能耗得到顯著降低。設備能耗的降低除了提高能效比,還要在運行時間段用室溫對加熱元器件進行邏輯控制,達到進一步降低運行能耗的目的。根據(jù)氣候數(shù)據(jù)模擬,給出了20個氣候分區(qū)所在城市太陽能電池板產(chǎn)能最多的安裝角度,并計算出了達到運行零碳所需安裝的太陽能電池板的面積系數(shù)。最終在南寧、廣州、南京、昆明布置此類移動式衛(wèi)生間均可實現(xiàn)負碳運行。其他城市按研究給出的設計方案削減碳排放,減碳潛力均高于82.49%。

在給定尺寸、基本安裝條件、較高的人員使用頻率下,按一定的減碳措施進行量化模擬,鑒于無水衛(wèi)生間反應倉制冷溫度要求不高的情況,主要針對保證供暖的要求進行了研究。而對建筑體形系數(shù)、各朝向窗墻比的變化、遮陽手段、綠地碳匯等減碳手段未加以討論,今后的研究中宜進一步探討。

研究可為我國對此類建筑的能耗評估提供借鑒,使此類建筑在我國公共場所、新農(nóng)村建設中產(chǎn)生的碳排放更加明晰,為我國碳達峰、碳中和提供有效的數(shù)據(jù)支持。