在撒哈拉以南非洲，使用生物基复合材料，最大限度地减少传热负荷，提高建筑围护结构的能效

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集锦

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砂质混凝土砌块的热性能可以用植物基材料改善。

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改进的生物基复合材料提高了建筑围护结构的能效。

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使用生物基复合建筑材料将墙体传热负荷降至最低。

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基于生物的建筑墙体显著降低了空调的耗电量。

摘要

气候变化的影响越来越大，再加上全球变暖，需要在建筑物中进行机械冷却，以提供室内热舒适。许多热带气候国家，特别是撒哈拉以南非洲国家，使用沙混凝土砌块建造导热系数相对较高的建筑围护结构。这导致通过建筑物墙壁的热传递增加，导致使用空调的建筑物用电量增加。这项研究的重点是通过将砂质混凝土块与可用的生物基当地材料，特别是经处理的锯屑和棕榈纤维混合，将其导热性降至最低。进行了实验，以确定与10%、20%、30%和40%处理过的锯末和棕榈纤维混合形成砌块复合材料的砂质混凝土的热导率、抗压强度和密度。研究结果表明，在砂质混凝土中加入生物基材料会降低其密度和导热系数，从而降低墙体传热负荷。对于建筑围护结构的抗压强度，使用3MPa的最低标准限值，发现复合样品S10、P10、P20和P30适用于最小化墙体传热。70%的砂质混凝土与30%的处理过的棕榈纤维（P30）的复合材料表现出最佳的热性能，与对照砂质混凝土块相比，热导率降低了38%。与对照样品P0（100%砂质混凝土）相比，复合P30在峰值负荷下实现了52 W/m2的最大壁热流减少。此外，使用加纳的度日冷却，分析表明，使用沙砾岩棕榈纤维复合材料P30作为建筑围护结构的办公空间冷却的最大节电潜力为每年453.40 kWh。

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关键词

生物基复合砌块能源高效建筑材料墙体传递荷载导热压缩强度

介绍

热带气候下住宅、商业和公共建筑的电力消耗主要由空调设备控制，以提供室内热舒适[1]、[2]、[3]。就空调而言，这些建筑中使用的建筑材料类型和建筑围护结构的特性对建筑能耗有着巨大的影响[4,5]。特别是，在湿热气候条件下，空调设备可能消耗商业和公共建筑用电的60-80%[6]。

因此，建筑行业最近的研究和开发集中在可持续节能建筑材料上，该材料可最大限度地减少墙体传热负荷，以减少建筑的耗电量和相应的运营成本[7,8]，此外还可减少与建筑用电相关的二氧化碳排放[9,10]。

因此，不同国家制定了建筑围护结构热性能方面的建筑规范，世界各地正在进行研究，以满足这些绿色建筑规范[11]、[12]、[13]。例如，已经研究了使用相变材料（PCM）降低建筑物冷却能量需求的研究[14]、[15]、[16]、[17]。还证明了PCM可用于减少和控制炎热夏季建筑物室内温度的波动[18]。在Ramakrishnan等人的工作[19]中，他们报告了澳大利亚主要城市的商业建筑在夏季设计期间使用热能储存水泥基复合材料（TESC）将室内峰值温度降低约5.6°C的年节能潜力为16–25%。

不同的研究人员进行了大量研究，以改善建筑材料的热特性，最大限度地减少通过建筑围护结构从室外到室内的热传递，从而降低建筑物的能耗[20]、[21]、[22]。例如，由[23,24]进行的研究表明，可以对传统建筑材料进行修改，以减少空调设备的建筑能耗不同的研究人员进行了大量研究，以改善建筑材料的热特性，最大限度地减少通过建筑围护结构从室外到室内的热传递，从而降低建筑物的能耗[20]、[21]、[22]。例如，[23,24]进行的研究表明，就空调设备能耗而言，可以对传统建筑材料进行修改，以降低建筑能耗。

在Boumhaout等人[25]的工作中，他们研究了由椰枣纤维（DPF）网增强砂浆组成的节能复合材料的使用。在他们的工作中使用的生物复合材料在热导率、扩散率、热容量、渗出率、压缩性和弯曲强度方面进行了实验表征。他们报告说，砂浆中DPF网格含量的增加通过将其导热率降低70%来提高其隔热能力。此外，复合材料的热阻尼性能得到了增强，因为其热扩散率降低了52%，热渗出率降低了56%。此外，DPF网格通过将砂浆密度降低39%来减轻砂浆重量。

根据国际建筑规范和标准，用作建筑围护结构的土块的最小抗压强度应为3.0 MPa[26]。Madrid等人的工作[27]还报告了非承重砌块的可接受抗压强度为3.0 MPa或更高。在Danso等人的实验工作中[28]，混合了不同比例的椰子、蔗渣和油棕榈纤维的土壤砌块的抗压强度为1.6至3.0 MPa。

在使用复合材料的节能建筑材料的设计中，需要低导热率。然而，预计建筑材料的物理强度在抗压强度方面不会受到影响。因此，抗压强度、密度和热导率是轻质节能隔热建筑材料需要考虑的三个决定性参数[29]。

砂混凝土砌块：撒哈拉以南非洲城市的主要建筑围护结构

在加纳和大多数撒哈拉以南非洲国家的城市，沙子和水泥按不同比例混合，形成砂浆-混凝土基质，然后用于塑造主要用作住宅、商业和公共部门建筑围护结构的混凝土砌块。砌块通常由粗砂和水泥按4:1至6:1的重量比例混合而成，具体取决于所需的质量。在混合过程中加入少量水，以促进砂混凝土块的粘合和随后的固化。图1a显示了用于在加纳建造建筑物的实心混凝土砌块。将各个砌块分层以形成建筑围护结构。铺设砌块后，用细砂水泥砂浆抹平表面，使其具有良好的光洁度（图1b）。

图1

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图1。（a）混凝土砌块样品和（b）墙上的水泥抹面。

在炎热的气候条件下，就像我们在加纳一样，建筑物中的大部分电力消耗都用于白天的房间空调[6]。白天空调负荷高的主要原因是由砂混凝土砌块制成的建筑围护结构热阻差（即高导热系数）。表1显示了在不同地方使用的一些建筑材料（建筑围护结构）的热导率值[30]、[31]、[32]、[33]。

表1.不同建筑材料/围护结构的导热系数。

建筑材料导热系数（W/m K）

粘土0.151.81

砂混凝土砌块（水泥和砂的混合物）1.131.41

稻草0.090.20

木材0.100.14

粘土砖0.701.32

石膏板0.170.19

玻璃0.930.96

硬质聚氨酯0.0220.028

蒸压加气混凝土0.160.20

木材0.120.19

如表1所示，与一些发达国家使用的其他建筑材料（石膏板、粘土砖等）相比，加纳和撒哈拉以南非洲许多国家主要用作建筑材料/围护结构的砂混凝土砌块的导热率非常高。砂质混凝土砌块的高导热率导致通过建筑围护结构的高传热，从而增加空调负荷。由于冷却负荷的增加，该效应随后增加了建筑物的电力消耗。

本研究的重点是通过将沙混凝土块与可用的生物基本地材料（经特殊处理的锯屑和棕榈纤维）混合，在不影响强度的情况下，最大限度地降低其导热性。研究目标是：通过改变锯末和棕榈纤维在sa中的比例，确定复合块的热导率和抗压强度