《Energy and Buildings》：Thermal mass vs. insulation trade-off in bio-based buildings: Climate-dependent energy performance of hemp, straw, and wood-based constructions
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生物基建材在冷热不同气候下的热质与保温平衡效应研究。通过TRNSYS-MATLAB耦合模拟，对比分析工业大麻、木混凝土和稻草三种材料的墙体系统在海洋性、地中海、热半干旱及寒冷气候下的全年能耗表现，揭示轻质材料在等U值条件下存在显著能效劣势，但通过调整墙体厚度可优化热质平衡。研究证实材料热质特性与气候条件存在强耦合关系，提出因地制宜的厚度设计策略。
作者：Amer Bakkour, Salah-Eddine Ouldboukhitine, Pascal Biwole, Sofiane Amziane
机构：克莱蒙奥弗涅大学（Université Clermont Auvergne）、克莱蒙奥弗涅INP、法国国家科学研究中心（CNRS）、帕斯卡尔研究所（Institut Pascal），法国克莱蒙费朗（Clermont-Ferrand），邮编63000
摘要
基于生物材料的材料因其能够减少建筑对环境的影响并提高能源性能而受到越来越多的认可。然而，大多数比较研究将这些材料与同等厚度的传统墙体进行对比，往往忽略了热质量和特定气候条件下整个建筑物的行为影响。由于这些材料的轻质特性和有限的热质量，在不同气候条件下平衡能源效率可能会面临挑战。本研究对三种基于生物材料的系统——大麻混凝土、木混凝土和稻草混凝土——在四种不同气候条件下的能源性能进行了评估，重点关注了热质量与保温性能之间的权衡以及气候对它们性能的影响。研究采用了TRNSYS和MATLAB的联合仿真方法。分析了两种情景：（1）热传导率（U值）相同，以隔离热质量的影响；（2）墙体厚度不同，以评估动态热行为。结果表明，在匹配的U值条件下，基于生物材料的系统比传统保温系统具有更高的能源需求，尤其是在海洋性和地中海性气候中，热质量对于缓冲温度波动至关重要。例如，在法国维希和黎巴嫩的的黎波里，使用稻草混凝土的建筑的总能源使用量分别增加了122%和126%。增加墙体厚度可以将基于生物材料的建筑的供暖需求降低35-70 kWh/m2，但在所有气候条件下都会导致冷却负荷增加8-17 kWh/m2，这揭示了轻质高保温系统中的一个关键权衡。在各种材料中，木混凝土在炎热气候下表现出更好的能源性能，而大麻混凝土在寒冷地区更有效。讨论部分概述了优化基于生物材料的建筑围护结构能源性能的适应性设计策略，以促进其在可持续建筑中的更广泛应用。
引言
建筑行业在当今的环境挑战中扮演着重要角色。它消耗大量的能源和原材料，并且是温室气体（GHG）排放的主要来源。根据国际能源署（IEA）2022年的报告，建筑物消耗了全球约30%的最终能源，并产生了约26%的能源相关二氧化碳排放[1]。根据IEA的《2025年全球能源展望》报告，2024年全球能源需求增长了2.2%，高于2013年至2023年间年均1.3%的增长率。这种增长导致所有能源来源（包括石油、天然气、煤炭、可再生能源和核能）的消费增加[2]。这种需求的增长加速了自然资源的消耗，同时也加剧了环境污染，主要是通过增加温室气体排放。
混凝土是导致这些环境问题的最具影响力的材料之一。作为全球使用最广泛的建筑材料，它具有巨大的生态足迹。仅混凝土行业就占全球初级能源和原材料消耗量的大约50%，总废物产生的30%，淡水抽取量的15%，以及人为温室气体排放量的33%[3]。
基于生物材料的材料是最有前景的替代品之一。这些材料来自可再生资源，具有诸如本地可用性、可回收性和优异的热调节性能等优点[4]。已经研究了多种农业和林业副产品（如稻壳、向日葵壳、甜菜浆、葡萄残渣和枣椰树）在建筑施工中的应用[4]。其中，大麻混凝土、稻草捆和木基混凝土因其良好的湿热性能而受到最多关注。
大麻混凝土（或称为hempcrete）由大麻纤维、石灰基粘合剂和水制成。其热导率范围为0.07至0.15 W/(m·K)，比热容通常在1000至1400 J/(kg·K)之间，具体取决于其密度（300–600 kg/m3）[5]。稻草是谷物作物的农业残余物，其热导率和比热容分别为0.033至0.19 W/(m·K)和1338至2000 J/(kg·K)，密度则在70至160 kg/m3之间[6]。木基混凝土（例如含有木屑或锯末的混凝土）通过替代或增强传统骨料和粘合剂，也表现出改进的热性能[7],[8],[9]。例如，在基于沙子的复合材料中添加16.34%的木屑可以将热导率从1.2 W/(m·K)降低到0.55 W/(m·K)[10]，而将10%的木质量替换可以将其从0.42 W/(m·K)降低到0.23 W/(m·K)[11]。
基于生物材料的材料由于其较高的比热容而具有显著的热储存能力，但由于其轻质特性，与基于混凝土的结构相比，整体热质量可能较低。这可能会显著影响能源性能，特别是冷却负荷，因为热质量决定了材料在动态条件下储存热量并在环境温度下降时释放热量的能力。这种行为直接影响室内温度稳定性、能源需求和居住者的舒适度[12]。不幸的是，现有文献中对基于生物材料的建筑的热质量效应量化不足。在大多数研究中，保温性能是讨论的重点，而热质量的影响被忽视了。
多项研究表明，在建筑中使用基于生物材料的材料具有优势。例如，[13]的研究表明，30厘米厚的大麻混凝土墙在热舒适性和能源效率方面优于同等厚度的砖墙和加气混凝土墙。研究显示，由于其优越的保温性能，大麻混凝土在冬季和夏季都能显著提高热舒适性。值得注意的是，大麻混凝土、砖墙和加气混凝土墙的热阻值分别为3.08 K·m2/W、0.88 K·m2/W和2.28 K·m2/W。同样，[14]比较了两个外墙厚度均为30厘米的建筑，一个使用大麻混凝土建造，另一个使用加气混凝土建造。数值模拟显示，大麻混凝土墙在冬季可以减少约31%的供暖能耗。研究中使用的大麻混凝土的热导率和比热容分别为0.1 W/(m·K)和1000 J/(kg·K)，而加气混凝土的热导率和比热容分别为0.14 W/(m·K)和850 J/(kg·K)。此外，[15]评估了30厘米厚外墙的大麻粘土砖建筑的能源效率，与使用20厘米厚空心砖和2厘米厚砂浆的传统摩洛哥建筑进行了对比。在摩洛哥的不同气候条件下，大麻粘土砖建筑在供暖和制冷方面的能耗始终低于参考建筑，分别实现了27.75%-47.5%的年度制冷节能和33.71%-79.82%的年度供暖节能。此外，[16]研究了在干旱气候条件下全尺寸大麻墙建筑的热性能，并将其与使用相同墙和屋顶厚度的加气混凝土和空心砖混凝土结构进行了比较。研究结果表明，大麻混凝土在热性能上优于其他材料，分别比空心砖提高了89.5%和38.7%。对于基于稻草的建筑材料，[17]比较了稻草捆建筑（U值为0.1 W/(m2·K)）与传统钢筋混凝土和粘土砖结构（U值为2.6 W/(m2·K)在伊朗气候条件下的能源性能和碳排放。结果表明，稻草捆建筑可以减少高达83.12%的建筑能耗。类似的研究[18]也发现，具有较低U值外墙的稻草建筑显著降低了供暖和制冷负荷。在[19]的研究中，数值比较了在阿尔及利亚气候条件下，使用枣椰木建造的建筑与使用蒸压加气混凝土建造的建筑，两者具有相同的墙和屋顶厚度（20厘米）。枣椰木结构减少了温度波动，稳定了相对湿度，并降低了冷却能耗，尤其是在潮湿和半干旱气候条件下。枣椰木混凝土的热导率、比热容和密度分别为0.185 W/(m·K)、1500 J/(kg·K)和954 kg/m3，而加气混凝土分别为0.14 W/(m·K)、850 J/(kg·K)和600 kg/m3。
尽管取得了这些进展，但大多数比较研究的范围仍然有限。它们将基于生物材料的材料与同等厚度的传统材料进行对比，忽略了热质量的作用以及建筑围护结构设计在不同气候条件下的影响。此外，不同类型基于生物材料的墙体之间的直接比较也很少，尤其是在多气候条件下的建筑规模上。
为了解决这些不足，本研究对三种基于生物材料的墙体系统——大麻混凝土、木混凝土和稻草混凝土——在整栋建筑规模上的能源性能进行了全面评估。研究了两种仿真情景。在第一种情景中，三种基于生物材料的建筑在所有围护结构组件（墙体、屋顶和地板）的U值条件下与保温的传统混凝土结构进行了对比，从而隔离了热质量对能源需求的影响。第二种情景探讨了改变基于生物材料的墙体厚度对整体性能的影响。这些研究在四个不同的气候区域进行：寒冷（加拿大多伦多）、炎热干燥（卡塔尔多哈）、炎热潮湿（黎巴嫩的黎波里）和海洋性（法国维希）。这样的广泛范围确保了所获得的见解适用于各种实际条件。
本研究的目标是为建筑师和工程师提供关于这些材料在实际建筑中的性能以及它们对不同气候的响应的明确指导。它还表明，应平衡保温和热质量以提高舒适度并减少能源消耗。
本文的结构如下：第2节概述了采用的方法论和材料属性。第3节描述了建模框架及其验证。第4节详细介绍了仿真结果。第5节讨论了不同气候和墙体类型的结果，为未来的研究方向提供了见解。最后，第6节提出了在建筑中应用基于生物材料的实际建议。
方法论
方法论
本研究重点分析热质量对基于生物材料的结构能源效率的动态影响。为此，将三种基于生物材料的建筑（分别使用稻草捆、大麻混凝土和木混凝土建造）与使用C12/15混凝土和钢筋混凝土板的传统建筑进行了比较。选择这些基于生物材料的材料是因为它们在可持续建筑中越来越受欢迎，提供了可再生、低碳的替代品，并具有独特的湿热性能。
MATLAB-TRNSYS耦合方法
为了更深入地了解基于生物材料的建筑在其周围环境中的性能，重要的是要考虑它们在墙体内部发生的湿热响应。基于生物材料的墙体中的热和质量传递会导致蒸汽传输和热量从内部向外部以及反向的扩散。
有许多软件程序可用于模拟建筑的能源消耗，TRNSYS是其中之一。
案例研究结果
对于能源负荷计算，仿真运行了一年的时间周期，排除了前三天以允许模型稳定。
讨论
本研究强调了热质量在提高室内热稳定性和减少供暖和制冷季节能源需求方面的作用。在恒定热传导率（U值）条件下观察到的性能排序表明，保温混凝土建筑始终优于所有基于生物材料的替代品，其次是木材，然后是大麻，最后是稻草。这种排名直接与材料的密度、厚度和热性能有关
结论
由于基于生物材料的材料在节能和减少环境影响方面的潜力，使用本地来源的基于生物材料的材料在建筑围护结构中继续受到关注。然而，该领域的许多比较研究仍然有限，通常将基于生物材料的墙体与同等厚度的传统系统进行对比。这种方法忽略了保温和热质量的双重作用——这两个因素在日变化或季节变化较大的气候条件下尤为重要。
作者贡献声明
Amer Bakkour：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。Salah-Eddine Ouldboukhitine：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、项目管理、方法论、调查、形式分析、概念化。Pascal Biwole：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法论、调查、形式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢法国Allier省议会对本工作的财政支持。
