|
在撒哈拉以南非洲，使用生物基復合材料，最大限度地減少傳熱負荷，提高建筑圍護結構的能效
作者鏈接到開放覆蓋面板RichardopokuageGeorge Y.Obengajodarkwasamuelkofiec
集錦
•
砂質混凝土砌塊的熱性能可以用植物基材料改善。
•
改進的生物基復合材料提高了建筑圍護結構的能效。
•
使用生物基復合建筑材料將墻體傳熱負荷降至最低。
•
基于生物的建筑墻體顯著降低了空調的耗電量。
摘要
氣候變化的影響越來越大，再加上全球變暖，需要在建筑物中進行機械冷卻，以提供室內熱舒適。許多熱帶氣候國家，特別是撒哈拉以南非洲國家，使用沙混凝土砌塊建造導熱系數相對較高的建筑圍護結構。這導致通過建筑物墻壁的熱傳遞增加，導致使用空調的建筑物用電量增加。這項研究的重點是通過將砂質混凝土塊與可用的生物基當地材料，特別是經處理的鋸屑和棕櫚纖維混合，將其導熱性降至最低。進行了實驗，以確定與10%、20%、30%和40%處理過的鋸末和棕櫚纖維混合形成砌塊復合材料的砂質混凝土的熱導率、抗壓強度和密度。研究結果表明，在砂質混凝土中加入生物基材料會降低其密度和導熱系數，從而降低墻體傳熱負荷。對于建筑圍護結構的抗壓強度，使用3MPa的最低標準限值，發現復合樣品S10、P10、P20和P30適用于最小化墻體傳熱。70%的砂質混凝土與30%的處理過的棕櫚纖維（P30）的復合材料表現出最佳的熱性能，與對照砂質混凝土塊相比，熱導率降低了38%。與對照樣品P0（100%砂質混凝土）相比，復合P30在峰值負荷下實現了52 W/m2的最大壁熱流減少。此外，使用加納的度日冷卻，分析表明，使用沙礫巖棕櫚纖維復合材料P30作為建筑圍護結構的辦公空間冷卻的最大節電潛力為每年453.40 kWh。
發行中的上一篇文章發行中的下一篇文章
關鍵詞
生物基復合砌塊能源高效建筑材料墻體傳遞荷載導熱壓縮強度
介紹
熱帶氣候下住宅、商業和公共建筑的電力消耗主要由空調設備控制，以提供室內熱舒適[1]、[2]、[3]。就空調而言，這些建筑中使用的建筑材料類型和建筑圍護結構的特性對建筑能耗有著巨大的影響[4,5]。特別是，在濕熱氣候條件下，空調設備可能消耗商業和公共建筑用電的60-80%[6]。
因此，建筑行業最近的研究和開發集中在可持續節能建筑材料上，該材料可最大限度地減少墻體傳熱負荷，以減少建筑的耗電量和相應的運營成本[7,8]，此外還可減少與建筑用電相關的二氧化碳排放[9,10]。
因此，不同國家制定了建筑圍護結構熱性能方面的建筑規范，世界各地正在進行研究，以滿足這些綠色建筑規范[11]、[12]、[13]。例如，已經研究了使用相變材料（PCM）降低建筑物冷卻能量需求的研究[14]、[15]、[16]、[17]。還證明了PCM可用于減少和控制炎熱夏季建筑物室內溫度的波動[18]。在Ramakrishnan等人的工作[19]中，他們報告了澳大利亞主要城市的商業建筑在夏季設計期間使用熱能儲存水泥基復合材料（TESC）將室內峰值溫度降低約5.6°C的年節能潛力為16–25%。
不同的研究人員進行了大量研究，以改善建筑材料的熱特性，最大限度地減少通過建筑圍護結構從室外到室內的熱傳遞，從而降低建筑物的能耗[20]、[21]、[22]。例如，由[23,24]進行的研究表明，可以對傳統建筑材料進行修改，以減少空調設備的建筑能耗不同的研究人員進行了大量研究，以改善建筑材料的熱特性，最大限度地減少通過建筑圍護結構從室外到室內的熱傳遞，從而降低建筑物的能耗[20]、[21]、[22]。例如，[23,24]進行的研究表明，就空調設備能耗而言，可以對傳統建筑材料進行修改，以降低建筑能耗。
在Boumhaout等人[25]的工作中，他們研究了由椰棗纖維（DPF）網增強砂漿組成的節能復合材料的使用。在他們的工作中使用的生物復合材料在熱導率、擴散率、熱容量、滲出率、壓縮性和彎曲強度方面進行了實驗表征。他們報告說，砂漿中DPF網格含量的增加通過將其導熱率降低70%來提高其隔熱能力。此外，復合材料的熱阻尼性能得到了增強，因為其熱擴散率降低了52%，熱滲出率降低了56%。此外，DPF網格通過將砂漿密度降低39%來減輕砂漿重量。
根據國際建筑規范和標準，用作建筑圍護結構的土塊的最小抗壓強度應為3.0 MPa[26]。Madrid等人的工作[27]還報告了非承重砌塊的可接受抗壓強度為3.0 MPa或更高。在Danso等人的實驗工作中[28]，混合了不同比例的椰子、蔗渣和油棕櫚纖維的土壤砌塊的抗壓強度為1.6至3.0 MPa。
在使用復合材料的節能建筑材料的設計中，需要低導熱率。然而，預計建筑材料的物理強度在抗壓強度方面不會受到影響。因此，抗壓強度、密度和熱導率是輕質節能隔熱建筑材料需要考慮的三個決定性參數[29]。
砂混凝土砌塊：撒哈拉以南非洲城市的主要建筑圍護結構
在加納和大多數撒哈拉以南非洲國家的城市，沙子和水泥按不同比例混合，形成砂漿-混凝土基質，然后用于塑造主要用作住宅、商業和公共部門建筑圍護結構的混凝土砌塊。砌塊通常由粗砂和水泥按4:1至6:1的重量比例混合而成，具體取決于所需的質量。在混合過程中加入少量水，以促進砂混凝土塊的粘合和隨后的固化。圖1a顯示了用于在加納建造建筑物的實心混凝土砌塊。將各個砌塊分層以形成建筑圍護結構。鋪設砌塊后，用細砂水泥砂漿抹平表面，使其具有良好的光潔度（圖1b）。
圖1
下載：下載全尺寸圖像
圖1。（a）混凝土砌塊樣品和（b）墻上的水泥抹面。
在炎熱的氣候條件下，就像我們在加納一樣，建筑物中的大部分電力消耗都用于白天的房間空調[6]。白天空調負荷高的主要原因是由砂混凝土砌塊制成的建筑圍護結構熱阻差（即高導熱系數）。表1顯示了在不同地方使用的一些建筑材料（建筑圍護結構）的熱導率值[30]、[31]、[32]、[33]。
表1.不同建筑材料/圍護結構的導熱系數。
建筑材料導熱系數（W/m K）
粘土0.151.81
砂混凝土砌塊（水泥和砂的混合物）1.131.41
稻草0.090.20
木材0.100.14
粘土磚0.701.32
石膏板0.170.19
玻璃0.930.96
硬質聚氨酯0.0220.028
蒸壓加氣混凝土0.160.20
木材0.120.19
如表1所示，與一些發達國家使用的其他建筑材料（石膏板、粘土磚等）相比，加納和撒哈拉以南非洲許多國家主要用作建筑材料/圍護結構的砂混凝土砌塊的導熱率非常高。砂質混凝土砌塊的高導熱率導致通過建筑圍護結構的高傳熱，從而增加空調負荷。由于冷卻負荷的增加，該效應隨后增加了建筑物的電力消耗。
本研究的重點是通過將沙混凝土塊與可用的生物基本地材料（經特殊處理的鋸屑和棕櫚纖維）混合，在不影響強度的情況下，最大限度地降低其導熱性。研究目標是：通過改變鋸末和棕櫚纖維在sa中的比例，確定復合塊的熱導率和抗壓強度 |
