秸稈節(jié)能材料在保溫建材方面的應(yīng)用研究

張 琳

(西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129)

0 引 言

基于可持續(xù)發(fā)展觀，推動農(nóng)村秸稈利用，發(fā)展低碳、生態(tài)、環(huán)保并可持續(xù)利用的綠色建筑材料，具有很重要的意義。作為一種在農(nóng)村廣泛存在的可再生資源，將秸稈加工成為建筑建材，一方面減少了秸稈焚燒對環(huán)境空氣的污染，另一方面也發(fā)揮其剩余價值和潛在價值[1-2]。近年通過對秸稈環(huán)保建材發(fā)展的研究與開發(fā)，改進現(xiàn)有秸稈循環(huán)利用技術(shù)，發(fā)展出了環(huán)保秸稈建筑材料[3]。推動秸稈建筑材料，既達到減污降碳的效果，又利于建筑材料行業(yè)的發(fā)展，也必將推動我國環(huán)保建筑的發(fā)展。

我國是一個消耗能源大國，其中建筑消耗能源已占到全國總能耗的28%左右[4-5]，而其中建筑結(jié)構(gòu)保溫不良造成的熱量損耗占建筑建材總體熱量損耗的75%左右[6]，因此，亟須加強建筑建材的保溫隔熱效果。胡敏等[7]研究了農(nóng)業(yè)秸稈制備輕質(zhì)建筑外包墻體的傳熱系數(shù)，測得其值為0.319 m·K·W-1。孫成建等[8-9]提出以秸稈為原料的植物纖維保溫建材的結(jié)構(gòu)熱節(jié)約可以高達2.55 m·K·W-1。由王博等研究人員[10-14]的設(shè)計創(chuàng)新，利用稻/麥秸稈加工出了復(fù)合墻體，并應(yīng)用到保溫建材制造方面。本文研究分析了秸稈保溫材料與普通保溫建材的生產(chǎn)能耗和經(jīng)濟效應(yīng)，并通過數(shù)據(jù)說明了秸稈保溫材料在建筑建材方面節(jié)能減排的顯著效果。

秸稈復(fù)合保溫建材生產(chǎn)技術(shù)是以農(nóng)業(yè)秸稈為主要原料，添加竹纖維、塑料等其他生物質(zhì)或非生物質(zhì)材料，利用特殊的加工方法，生產(chǎn)出環(huán)保、可塑性高、并具有高附加值功能的建筑復(fù)合環(huán)保建材[15-16]。秸稈復(fù)合保溫建材生產(chǎn)的方法主要包括通過高質(zhì)量秸稈纖維粉碎加工，進而加工改善秸稈生化活性、加工改善秸稈纖維的可塑性、加工改善秸稈建材的硬度、加工改善秸稈建材纖維的輕量化、加工改善生物質(zhì)秸稈保溫建材的密實性。

1 秸稈保溫建材的節(jié)能效果分析

秸稈保溫建材中秸稈復(fù)合材料的最小厚度計算:

通過一些秸稈的導(dǎo)熱系數(shù)和保溫建材傳熱系數(shù),按照下面公式計算秸稈保溫建材中秸稈復(fù)合材料的最小厚度。

L=p·(1/q-1/q0)/103

式中，L為秸稈保溫材料厚度，mm；p為秸稈保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W·m-1·K-1；q為復(fù)合建材的總熱傳導(dǎo)系數(shù)，W·m-2·K-1；q0為無保溫的墻體熱傳導(dǎo)系數(shù),W·m-2·K-1。

在《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(DBJ01 -602 -2004)中，獲得所提供的北京市地方標準數(shù)據(jù)，其中建筑建材保溫結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的規(guī)定q取值0.50 W·m-2·K-1，秸稈保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)范圍為0.04～0.11 W· m-1· K-1。本文中，q0取值為1.60(普通的紅磚墻，熱傳導(dǎo)系數(shù)為 0.60 W· m-1·K-1，厚度為370 mm)、1.90[17]和2.50(普通的二四磚墻，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.6 W·m-1·K-1，厚度為370 mm)W·m-2·K-1。計算不同熱傳導(dǎo)系數(shù)的秸稈保溫材料和不同傳熱系數(shù)建材外墻所對應(yīng)的秸稈材料最小厚度，在普通紅磚墻體的外層或內(nèi)層加1層厚度為80～180 mm的秸稈保溫材料，復(fù)合墻體的總熱傳導(dǎo)系數(shù)可達要求的保溫水平。通過保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)公式計算,得出保溫材料的厚度在小于200 mm的范圍內(nèi)，因此，在這個厚度范圍內(nèi)并不會顯著影響建筑外墻的整體使用效果。如果使用低密度的小麥秸稈保溫材料,只需80 mm厚度的材料就可滿足所要求的保溫水平。

2 秸稈保溫建材的成分與節(jié)能估算分析

2.1 秸稈保溫建材的主要組成成分占比

秸稈保溫建材的主要組成成分占比，見表1。

表1 秸稈保溫建材的主要組成成分占比

2.2 生產(chǎn)秸稈保溫建材所需要的單位能耗

單位面積內(nèi)秸稈保溫建材墻體的節(jié)約能量以單位質(zhì)量秸稈的節(jié)約能量表示，可按照下式計算：

式中，Ht為秸稈保溫材料所節(jié)約的熱量(MJ· kg-1)，計算中認為北方平均每年的供熱為150天；h為單位質(zhì)量秸稈平均每年的節(jié)約能量(kg · a)；H1為單位面積普通墻體平均每年的傳導(dǎo)熱量(MJ · m-2· a-1)；H2為單位面積秸稈保溫墻體平均每年的傳導(dǎo)熱量(MJ · m-2· a-1)；G為單位面積保溫材料中所含的秸稈質(zhì)量(kg · m-2)；T為秸稈復(fù)合保溫墻體使用年限(a)。

H1和H2按照下式計算：

式中，C2-C1為溫度差值，單位為K，根據(jù)北京市地方標準數(shù)據(jù)，其值計算為17.1；t為每年供熱時間，單位為秒，其中設(shè)定供熱為150天，即為t=1.30×107秒。

關(guān)于普通墻體：

β取值1.60W·m-2·K-1，而秸稈保溫材料的總傳導(dǎo)值可通過熱傳導(dǎo)系數(shù)與保溫材料厚度計算得出。

平均單位面積的保溫材料中所含秸稈的質(zhì)量是與其密度、厚度及質(zhì)量系數(shù)有關(guān)，可通過下面的公式計算:

式中，G為單位面積秸稈保溫材料中的秸稈質(zhì)量，kg;L為秸稈保溫材料厚度，mm；ρ為秸稈保溫材料密度，kg· m-3；α為秸稈保溫材料中秸稈質(zhì)量系數(shù)。

2.3 小結(jié)

根據(jù)以上公式進行計算，計算出不同密度和熱傳導(dǎo)系數(shù)的秸稈保溫復(fù)合材料的年平均節(jié)約熱能(未去除秸稈保溫材料的加工消耗的能量)，得出秸稈保溫材料的平均每年節(jié)約45MJ· kg-1的熱能，而節(jié)約的最少熱能也為10 MJ· kg-1。從中可以看出，單位質(zhì)量秸稈的節(jié)約熱能是與保溫材料熱傳導(dǎo)系數(shù)和厚度成反比。

3 秸稈保溫建材生產(chǎn)的節(jié)能估算分析

3.1 生產(chǎn)秸稈環(huán)保保溫建材的單位節(jié)約能量

生產(chǎn)秸稈環(huán)保保溫建材的單位節(jié)約能量，見表2。

表2 秸稈環(huán)保保溫建材的單位節(jié)約能量

由上表可知，單位質(zhì)量秸稈環(huán)保建筑材料的節(jié)約能量主要由兩個因素的作用決定:

(1)當保溫材料厚度值固定時，隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)越低，其傳熱能力也越低，同時保溫能力就越明顯，所以最好就應(yīng)該采用熱傳導(dǎo)系數(shù)小同時又具備質(zhì)量輕的特點的保溫材料。

(2)如果秸稈保溫材料的密度與熱傳導(dǎo)系數(shù)呈正比，則熱傳導(dǎo)系數(shù)小其材料密度較低，同時質(zhì)量也會很小，也因此得出單位質(zhì)量秸稈所節(jié)約的熱能較大。而對于保溫材料厚度來說，當隨著厚度值越大時，其傳熱能力也越低，同時保溫效果也越好，但是在這樣的情況下，如果保溫材料厚度增加，就會導(dǎo)致秸稈保溫材料的質(zhì)量也會增大，而且其增大的速率大于墻體傳熱能力減小的速率，因此就會呈現(xiàn)出保溫材料的厚度與單位質(zhì)量秸稈的保溫能力呈反比。

另外，上表中的數(shù)據(jù)結(jié)果并不能表示秸稈保溫材料是越薄越好，因為節(jié)能效果是依據(jù)單位面積保溫墻體所節(jié)約能量作為考量的，即H1-H2。對比分別以0.04、0.08和0.10 W·m-1·K-1為熱傳導(dǎo)系數(shù)的秸稈保溫材料的節(jié)約能量H1-H2與該材料厚度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在熱傳導(dǎo)值為0.04 W·m-1·K-1時，當其厚度由70增至210 mm時，單位面積秸稈保溫復(fù)合材料的節(jié)約能量相應(yīng)增加，因此，只要在建筑空間足夠的情況下，采用越厚的秸稈保溫材料越有利于節(jié)能。

3.2 秸稈保溫建材與直接燃燒的能耗對比

如果把秸稈作為生活生產(chǎn)燃料的話，也是生物質(zhì)能源的一種資源化利用。且目前農(nóng)村多以傳統(tǒng)生物質(zhì)能源消耗為主[18]。本文因此從能量資源化利用和節(jié)約效率方面，把秸稈用于建筑節(jié)能與秸稈直接燃燒產(chǎn)能進行對比。依據(jù)山東省地方標準《纖維板單位產(chǎn)品綜合能耗限額》中的內(nèi)容，同時參考趙希強等文獻[19]，再結(jié)合2006年中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準《清潔生產(chǎn)標準人造板行業(yè)》中的內(nèi)容，可以得到秸稈保溫建筑材料加工過程的能耗數(shù)據(jù)。秸稈作為保溫建材和直接作為燃料的供能效率和節(jié)能效率見表3，其中以1 kg秸稈作為燃料和加工保溫建材為標準。

表3 秸稈保溫建材生產(chǎn)能耗與秸稈燃燒釋放能量

根據(jù)上表可知，將秸稈直接用做生活生產(chǎn)燃料所釋放的熱量約為13～17 MJ·kg-1，而當秸稈保溫材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)<0.06 W·m-1·K-1且滿足最小厚度的要求時，秸稈保溫復(fù)合材料的單位質(zhì)量秸稈年節(jié)約能量為18.5～57.2 MJ·kg-1，節(jié)約能量的水平遠高于直接作為燃料能源利用的水平。由于秸稈保溫材料耐腐蝕耐風(fēng)化，可以使用多年，具有可持續(xù)性的節(jié)能收益，因此選擇使用秸稈保溫材料會得到顯著的節(jié)約熱能同時又減少排放的效益。

3.3 小結(jié)

綜上所述，在使用秸稈作為建筑保溫材料時，隨著使用期限的拉長，所累積的節(jié)約總熱能也就越多。與秸稈直接作為生活生產(chǎn)燃料供熱相比，開發(fā)創(chuàng)新秸稈保溫建筑材料是具有可持續(xù)化利用性的，同時也提高了秸稈的能量利用效率。

另外，比較以往常用的聚乙烯泡沫保溫材料和新型秸稈保溫建材的優(yōu)缺點時可以發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)具有相同保溫效果的聚乙烯泡沫材料和秸稈保溫建材時，秸稈保溫建材的碳排放量明顯低于聚乙烯泡沫材料，經(jīng)濟性也更好。且聚乙烯泡沫材料降解困難對自然環(huán)境污染較大，因此，使用秸稈保溫建材作為建筑保溫材料是具有諸多優(yōu)勢的。考慮到秸稈保溫材料與聚乙烯泡沫保溫材料相比，其輕質(zhì)性能可能較差不利于高層建筑保溫，因此，可以考慮先在對建筑高度要求較低的東北農(nóng)村及鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)廣泛推廣利用。

4 結(jié)束語

秸稈加工成為建筑保溫建材，單位質(zhì)量秸稈的節(jié)能相對可觀，每年節(jié)約的熱量遠高于它作為生產(chǎn)生活燃料所使用的能量，而且其帶來的減污降碳效果也非常明顯。在滿足相同保溫效果的情況下，秸稈保溫材料在加工成保溫建材的過程中能量消耗和碳排放量都顯著低于常用的聚乙烯泡沫保溫材料，在生態(tài)環(huán)保和可降解方面也優(yōu)于聚乙烯泡沫材料 。如在北方農(nóng)村及鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力推廣秸稈保溫復(fù)合材料，對較少碳排放和可持續(xù)發(fā)展會有很大的實際意義。