深度探討低碳背景下，氣膜在砂石行業(yè)中的應用技術研究

原標題：深度探討 | 低碳背景下，氣膜在砂石行業(yè)中的應用技術研究

編者按：

中國砂石協(xié)會于2022年8月16日-18日在湖北武漢召開第九屆全國砂石骨料行業(yè)科技大會。來自國家部委和各省、市有關政府部門領導，行業(yè)專家、學者，各級行業(yè)協(xié)會代表，砂石行業(yè)及上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)代表現(xiàn)場參會。這是我國砂石行業(yè)今年首個全國性會議，也是名副其實的千人大會，線上參會人數(shù)超十萬。其中大會《論文集》受到行業(yè)同仁廣泛好評。

應廣大讀者請求，中國砂石協(xié)會融媒體中心繼續(xù)推出科技大會精選投稿論文系列報道，今天推出的論文為《氣膜在砂石行業(yè)低碳減排應用技術》。原文如下：

氣膜在砂石行業(yè)低碳減排應用技術

（中成空間（深圳）智能技術有限公司茍元松）

摘要：砂石是我國基礎建設的重要原材料之一，隨著國內(nèi)天然砂、河砂等資源的枯竭和政府對開采管控力度加大，憑借在建材領域成熟的發(fā)展體系、完善的標準以及前沿的理念，建造了一批具有示范效應的項目，拉開砂石骨料向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級的序幕，也讓砂石開采重新煥發(fā)光彩。傳統(tǒng)砂石企業(yè)不斷尋求轉(zhuǎn)型，臟亂差的生產(chǎn)環(huán)境在逐漸被改變，一大批綠色環(huán)保、智能現(xiàn)代的砂石骨料生產(chǎn)線不斷出現(xiàn)。目前，絕大多數(shù)的砂石骨料堆場都是露天堆放，不僅產(chǎn)生了揚塵、噪音等，同時也產(chǎn)生了一些能耗增加、砂石骨料質(zhì)量受損的問題，這些都與國家的環(huán)保政策和節(jié)能減排政策相違背的。未來，隨著社會的發(fā)展，環(huán)保政策也必定越來越收緊。因此，砂石骨料料場的全封閉是一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，本文通過闡述充氣膜結構，探討氣膜大棚在節(jié)能減排和低碳技術應用上的優(yōu)勢。

關鍵字：綠色環(huán)保；智能現(xiàn)代；節(jié)能減排；低碳技術；全封閉；氣膜大棚

引言

氣膜建筑是用特殊的建筑膜材做外殼，配備一套智能化的送風加壓系統(tǒng)在氣膜建筑內(nèi)部提供空氣的微正壓，把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統(tǒng)。室內(nèi)無梁無柱，可實現(xiàn)全封閉、大空間、大跨度。由國外引進國內(nèi)，近年來隨著國家出臺的一系列環(huán)保政策，許多電廠、鋼廠、焦化廠、煤炭儲存等已經(jīng)率先掀起一波氣膜封閉的浪潮，氣承式膜結構因其施工速度快捷，結構形式簡單，造價低廉，后期維護簡便等特點在工業(yè)倉儲封閉中得到迅猛發(fā)展。為響應國務院印發(fā)的《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，需要舉全國之力助力國家早日實現(xiàn)碳達峰，碳中和目標，砂石行業(yè)也即將面臨重大挑戰(zhàn)。為此，光伏氣膜新的研究理念也被植入到料場封閉的研究范圍。

1.氣承式膜結構的優(yōu)點1.1成熟的氣膜技術

氣承式膜是通過室外送風加壓系統(tǒng)往室內(nèi)送風加壓形成一種微正壓結構體系，在室內(nèi)外壓差的作用下，使膜材表面產(chǎn)生巨大的張力，從而形成一個具有巨大剛度、穩(wěn)定性的空間結構建筑物，由于其上部結構為柔性結構體系，可以輕松滿足砂石料倉儲對大跨度需求，以及對復雜地形的封閉；目前氣膜技術已成為料場封閉的主流選擇，在國內(nèi)多個鋼鐵廠、發(fā)電廠、煤炭煤化工等企業(yè)應用。成熟的氣膜技術工藝可以抵御50年一遇最不利的風雪荷載，其獨特的結構體系，是目前砂石料場封閉結構形式中最理想的結構形式。

1.2節(jié)能更環(huán)保

充氣膜結構儲料場膜罩部分采用高透光率膜材，白天能夠充分利用日照光度無需補光，無需燈光照明。夜晚利用高效節(jié)能的二次漫反射的照明系統(tǒng)，大大節(jié)約照明用電；其膜罩部分極具耐酸堿腐蝕，抗老化，防紫外線，使用壽命可達25年以上。環(huán)保方面，氣膜結構是依靠壓力支撐的結構體系，使其內(nèi)部空間具有極好的氣密性，室內(nèi)粉塵不易擴散到室外，避免粉塵外泄對環(huán)境造成二次污染，室內(nèi)的煙氣、粉塵集中收集，集中處理，實現(xiàn)真正的零排放。

1.3造價經(jīng)濟、結構安全

氣膜料倉獨特的結構特點決定了它的造價經(jīng)濟，采用特殊的建筑膜材做外殼，因內(nèi)部無梁無柱，無任何鋼構件，對地基承載力和基礎要求較小，基本無需復雜的樁基礎，只考慮上拔力及水平推力，對地質(zhì)要求較低；氣膜建筑因其特殊性，80%的工程量在加工廠完成，現(xiàn)場只需平地拼接安裝，安裝周期短，基本無高空作業(yè)；此外，氣膜建筑外表面呈曲面型，是受風阻小的建筑，其膜罩部分具有阻燃防火功能，供風體系設備一用兩備，配套備用自動發(fā)電機體系；即考慮到最不利的因素，當所有主供電源斷電的情況下，且備用發(fā)電機體系無法啟動，送風加壓設備停滯工作；氣膜從最頂部到完全塌落至地面也需要3-5小時左右，因此人員是有足夠的逃生時間，不會造成人員傷亡。因此綜合對比起來，氣膜建筑在造價經(jīng)濟和結構安全性上要優(yōu)傳統(tǒng)于結構。

1.4遠程智能化、數(shù)字化管理平臺

氣膜料倉的核心系統(tǒng)均配備有遠程控制、監(jiān)測，通過該系統(tǒng)，運行情況可以傳輸?shù)街骺刂行模€可以實現(xiàn)PLC手機客戶端監(jiān)控，更直觀、便捷的顯示料倉各個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，自動監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、風壓、雪壓等指標，達到實時監(jiān)測及控制室內(nèi)空氣質(zhì)量；如遇突發(fā)情況，實時報警，行之有效的管理人員及車輛進出的情況。

2.砂石堆場現(xiàn)狀2.1惡劣天氣對砂石骨料質(zhì)量的影響

（1）常見的骨料其飽和面干吸水率一般不超過2%，實際生產(chǎn)過程中所用的濕潤狀態(tài)骨料同時含有外在水和內(nèi)在水，骨料表面存在水膜，較干燥狀態(tài)會增加堆積密度，在用體積法設計配比的時候，會由于含水率的不同對結果產(chǎn)生較大的影響。測量骨料的水分能夠有效提前確定具體生產(chǎn)配比，保證混凝土出廠質(zhì)量。砂石骨料堆場未封閉時，不定時的雨、雪天氣會使砂石的含水量不穩(wěn)定，從而導致產(chǎn)品特性的不穩(wěn)定。

（2）如果未封閉的砂石骨料堆場遭遇酸雨，則砂石骨料將會含有酸性物質(zhì)，而水泥是堿性材料，用被酸雨沖刷過的砂石生產(chǎn)出來的混凝土，壽命和質(zhì)量將不可避免的受到不利影響，從而產(chǎn)生安全隱患。因此，被酸雨侵蝕過的砂石骨料應當進行去酸性處理，這個處理過程將額外增加砂石骨料的生產(chǎn)能耗。

（3）雨水的沖刷可能導致上部的砂石骨料含泥量減少，底部的含泥量增加，而含泥量過大也會對混凝土的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此堆場底部的砂石骨料也應當進行相應的處理，這個過程也將額外增加砂石骨料的生產(chǎn)能耗。

（4）大風天氣不僅使砂石料場產(chǎn)生揚塵，也會改變砂石骨料的堆放狀態(tài)，導致不利于生產(chǎn)和裝車，需要再動用人力物力使其恢復原狀，額外增加生產(chǎn)能耗。

2.2溫度對砂石骨料的影響

（1）冬季雨雪天氣將增加砂石骨料的含水量，因為冬天溫度低，砂石中不可避免地出現(xiàn)凍塊，不經(jīng)過延長攪拌很難化開。

（2）冬季雨雪天氣將容易使砂石骨料表面形成冰殼，降低混凝土強度和耐久性，也必須通過延長攪拌時間才能完成砂石與砂漿的熱交換，把負溫的砂石加熱到正溫，避免冰殼的出現(xiàn)。

（3）現(xiàn)今在冬季對砂石料的加熱保溫工序中，通常的做法是臨時拉出蒸氣膠管在砂石料中熱吹片刻，由于北方冬季室外溫度很低，砂石凍結成塊情況明顯，常常是吹熱這塊，涼了那塊，雖拌料時采用了溫水攪拌，但仍不能避免凍塊進入模具，由于在生產(chǎn)過程中的凍塊融化，會產(chǎn)生大量孔隙，嚴重影響了構件質(zhì)量，尤其是排水管的生產(chǎn)。為了盡量吹化凍塊，只能耗用大量時間進行吹熱，但仍無法保證原料質(zhì)量，施工技術要求無法達到，能耗較高。

2.3不利天氣對設備的影響（1）如果遇上雨季，無疑會給砂石破碎生產(chǎn)帶來諸多麻煩，加之砂石破碎機等生產(chǎn)設備都是電機工作，遇水斷電，光維修費就會給砂石廠帶來不小的損失；另一方面遇水也會造成破碎機等生產(chǎn)設備出現(xiàn)生銹問題，降低生產(chǎn)產(chǎn)量。所以料場未封閉時，需要做好三防工作：防銹、防電和防雷。防銹：設備在雨水的沖刷下容易產(chǎn)生銹蝕，因此必須定期對生產(chǎn)設備做防銹處理，以保證設備的正常工作；防電：雨水的沖刷增加了電器設備漏電的風險，電路也容易因為雨水的沖刷加速老化，因此要定期做設備和電路的檢查；防雷：雨季往往也伴隨有雷電的發(fā)生，因此設備需要做好防雷處理；

（2）冬季如果碰上雨雪天氣，生產(chǎn)設備有可能被凍上，啟用設備后要達到正常工作狀態(tài)會額外增加能耗，非金屬件在低溫狀態(tài)下運行也可能會增加磨損，加大安全風險，降低使用壽命。

3.全封閉氣膜結構的解決方案

砂石骨料料場用氣膜大棚封閉后，可以消除雨、雪、大風等不利天氣對砂石骨料質(zhì)量產(chǎn)生的不利影響，大幅減小溫度變化給砂石骨料質(zhì)量帶來的不利影響，同時可以降低不利天氣和溫度變化給對生產(chǎn)設備帶來的不利影響，提高砂石骨料的質(zhì)量和產(chǎn)量，其全封閉結構的特性，切實做到節(jié)能減排的效果。

采用氣膜結構封閉后，雨、雪、大風等惡劣天氣將被氣膜結構阻擋在外，無法對砂石骨料質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而提高砂石骨料質(zhì)量的穩(wěn)定性，減少不必要生產(chǎn)能耗；

采用氣膜結構封閉后，氣膜內(nèi)部在冬季的溫度可比室外溫度高出3-5℃，夏季時，啟動新風換氣系統(tǒng)，室內(nèi)溫度可比室外低3-5℃，不僅避免了砂石骨料在冬季可能產(chǎn)生的凍塊問題和表面結冰問題，同時再夏季也能保證室內(nèi)的工作環(huán)境；解決了砂石骨料的防凍問題，也就減少了處理此類問題而額外增加的能耗；

砂石料的含水率受天氣的影響降到了最低，解決了冬季施工期間因砂子凍塊對商品混凝土質(zhì)量的影響，節(jié)省人工。由于料場封閉后的保溫作用還降低了冬季施工攪拌水的加熱費用，節(jié)約了能源消耗。同時，配套的智能新風換氣系統(tǒng)，可以有效的改善室內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，氣膜結構的通風換氣系統(tǒng)設計至關重要。頂部智能新風換氣系統(tǒng)當溫度升高后排氣閥自動打開，第一時間將頂部的熱空氣及濕氣排出室外，從而有效減少太遠輻射熱傳遞到室內(nèi)，避免室內(nèi)氣溫升高，溫度降低時自動關閉，有效節(jié)省能耗。

采用氣膜結構封閉后，在氣膜結構內(nèi)部的設備在惡劣天氣下也都可以正常工作，幾乎不會受到影響，增加了設備的使用壽命，間接實現(xiàn)了整個社會的節(jié)能減排。

4.氣膜光伏一體化的低碳技術應用4.1光伏氣膜一體化產(chǎn)品介紹

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術。主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。分布式光伏發(fā)電是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題，分布式光伏發(fā)電對優(yōu)化能源結構、推動節(jié)能減排、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，同時提供綠電及碳排放指標，助力3060目標早日實現(xiàn)。

圖1 光伏發(fā)電需求和氣膜結構頂部特點

從上面分析可知：氣膜頂部具備光伏發(fā)電所需的所有條件，為光伏在氣膜上的應用提供了絕佳的應用場地。

4.2光伏氣膜一體化的應用優(yōu)勢4.2.1柔性光伏組件

輕質(zhì)光伏組件實現(xiàn)了無玻璃、輕量化、薄片化和柔性化的新型晶體硅光伏組件，帶邊框的輕質(zhì)光伏組件重量可輕至4.8kg/㎡，只有傳統(tǒng)光伏組件的40%。輕質(zhì)光伏組件通過應用復合材料，確保了組件透光性、防水性、耐紫外及耐老化的能力。

在屋頂荷載能力不變的情況下，輕質(zhì)組件相較于傳統(tǒng)光伏組件重量優(yōu)勢明顯，這變相提高了光伏電站的整體荷載能力：在屋頂荷載能力相同的情況下，安裝輕質(zhì)光伏組件的屋頂無疑可以承擔更大重量的荷載。輕質(zhì)組件可以實現(xiàn)無邊框和有邊框兩種方式，無邊框輕質(zhì)組件具有最低的重量和最佳的柔性，適用于各種創(chuàng)新性的應用領域。有邊框輕質(zhì)組件適用于各種承重不足的分布式屋頂。

輕質(zhì)組件：無玻璃、輕量化、薄片化和柔性化，從而實現(xiàn)輕柔薄美的特點；

組件的重量：2.8- 4.8kg/每平方米；

組件的厚度：2-35mm。

4.2.1安裝體量優(yōu)勢

利用建筑體建造太陽能發(fā)電設施的想法已經(jīng)提出來多年，但推進緩慢，普通建筑體量小而散是一個比較大的困難，而單個工業(yè)倉儲氣膜建筑的體量非常大，其表面可利用的范圍非常廣，可以成為建筑體利用太陽能的新興有生力量。氣膜頂部可安裝分布式光伏的面積不小于投影面積的30～40%；例如，工業(yè)倉儲所用氣膜建筑面積為1萬平米，即可安裝分布式光伏面積不小于3300㎡，遠遠大于普通建筑體所能利用的面積。

圖2 臨沂江泉集團-江鑫鋼鐵氣膜料場

該項目是目前已建成投產(chǎn)運行運行時間最久且最大的單體氣膜結構，氣膜封閉尺寸：L440*W142*H50米，面積：62480平米。若該項目安裝分布式光伏板，按投影面積35%計算，可安裝光伏板面積可達：21868平米。

圖3 唐山港集團京唐港區(qū)36-40條形倉封閉項目

4.2.2環(huán)境優(yōu)勢

普通建筑高矮不一，也是阻礙建筑體利用太陽能的一個因素，而工業(yè)倉儲氣膜建筑一般高度較高，且四周開闊、無遮擋，氣膜頂部表面可以做到全天侯地利用太陽光。

圖4 常州港錄安洲港區(qū)散貨堆場料場封閉項目

該項目是目前在施的最大體量氣膜群項目，整個項目有4個氣膜結構，項目總面積約28萬平米。項目位于常州港臨江位置，氣膜表面可利用面積巨大，且四周開闊，無任何遮擋。

4.2.3應用優(yōu)勢

普通建筑頂部面積小，可利用分布式光伏安裝區(qū)域也較小，利用價值不高；同時，自用的話需要配備大量的輸入輸出設備，無形中提高了建造成本，只能并網(wǎng)，而并網(wǎng)運行就會有電力的運送損耗，工業(yè)倉儲氣膜建筑只需一套輸入輸出設備和并網(wǎng)設備，且部分可以自發(fā)自用，減少了建設成本和電力運送損耗。

圖5工業(yè)倉儲氣膜建筑

圖6工業(yè)倉儲氣膜建筑

4.2.4光伏發(fā)電的利用

1）離網(wǎng)

光伏所發(fā)的電可以直接給氣膜配套的用電設備使用，實現(xiàn)氣膜零能耗，同時提供碳排放指標。

2）并網(wǎng)

光伏輸出電量非線性的，白天光伏發(fā)電量大，當氣膜配套的用電設備不能用完時，進入電網(wǎng)。晚上光伏板不發(fā)電，用電設備需要電網(wǎng)供電補充，按照分布式電站標準建設。

5.小結

隨著我國環(huán)保政策的收緊以及雙碳目標的提出，傳統(tǒng)的露天堆場已不能滿足日益嚴峻的環(huán)保要求，沙石的露天堆放作業(yè)不僅會引起揚塵，污染周邊環(huán)境，同時影響沙石的含水量，也會造成部分沙石骨料的流失，因此急需對露天堆場進行封閉建造。近年來，一種全新的氣膜倉工藝技術發(fā)展迅猛，被廣泛應用于露天堆場的封閉中。氣膜倉封閉工藝是近年興起的一種新型封閉結構，其采用特殊建筑膜材作為建筑外殼，在膜材外部設置斜向鋼索網(wǎng)系統(tǒng)，同時配備智能化機電設備對完全密閉的空間提供空氣壓力，靠內(nèi)、外部壓力差把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統(tǒng)，其具備節(jié)能環(huán)保、節(jié)省建設成本、提高經(jīng)營效益、建設周期短、安全性能高等優(yōu)勢已在國內(nèi)外發(fā)電廠、煤炭煤化工企業(yè)、鋼鐵冶金行業(yè)、文體場館、港口碼頭等領域發(fā)展迅猛。

責編| 劉釵 翟文靜 · 審核 | 張朋

來源：中國砂石協(xié)會

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