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寒冷地区粮储建筑节能的新途径

2022-11-24吴卫东

粮食与饲料工业 2022年3期
关键词:传热系数保温材料围护结构

吴卫东,梅 竹

(国粮武汉科学研究设计院有限公司,湖北 武汉 430079)

长期以来,我国北方广大寒冷地区,尤其偏远地区能源供应严重不足。粮储建筑在运营过程中为了保证储藏质量,能耗居高不下。一些沿用了几十年的传统保温措施使得能耗效率低下,甚至有些地区热效率只有15%上下。粮储建筑的外墙、屋面和门窗等仍采用较为老旧的常规做法,致使建筑外围护结构传热系数高,尤其屋面和外墙与比照的粮储节能建筑相比较,大40%以上,致使生产能耗居高不下,能源消耗过于浪费,粮储环境得不到相应改善。广大北方农村的粮储建筑相当一部分在节能减排方面形势十分严峻,在新技术节能的设计施工上仍有缺失,这与国家环境保护、节约能源、优化粮储环境等方面的要求不相适应。为了实现“碳达峰、碳中和”的目标,全面提升资源利用效率,维护群众根本利益,结合北方寒冷地区实际情况,尤其广大农村的条件限制,探讨以下途径,开展北方粮储建筑的节能举措。

1 采用新技术,开发利用新能源

1.1 太阳能的利用

根据各地接受太阳总辐射量,我国北方很多地区属于二类区域,太阳能较为丰富,年太阳辐射总量为5 850~6 680 MJ/m2。太阳能在广大北方地区具备可开发利用的先决条件。根据已经取得的经验来看,在粮储建筑中的用途主要有以下几点。

1.1.1太阳能采暖

通过能源转换,将太阳能转化成热能。利用建筑物提供的便利条件,尽可能多地吸收和储藏太阳能,提供粮食存储所需的必要温度。常见的采暖方式有直接采暖、蓄热构件和阳光房。

1.1.2太阳能热水装置

近些年,随着对粮储环境要求的不断提高,冬天寒冷地区储存的粮食中所含水分不能上冻,就要求采用恰当的采暖方式来解决。根据各地不同实际情况,可以采用屋面设置太阳能热水装置的方式。所用热媒可灵活的采用人工加水或者自来水系统。热水器一般安装在屋顶或设备平台,尽可能多地接受太阳直接照射,水箱设置在室内辅助房间。太阳能热水器可以购买成品,也可以自行制作。如果条件受限,水箱必须放置在室外,则一定要做好保温措施。水箱可以采用岩棉保温,管道要用一定厚度的保温胶套包裹。

1.1.3太阳能暖棚

冬季有些储粮物种需要一定阳光照射,为了提供相应储粮环境可以利用太阳能暖棚。由暖棚吸收太阳辐射能,提高棚内温度,加热棚内空气,达到所需粮储环境。

1.2 沼气能源的开发和利用

北方农村沼气应用日臻成熟,具备应用在粮储建筑的条件。沼气是由湖沼地内植物腐烂形成的可燃气体,主要成分是甲烷。这种生物能源可以用来加热热媒,提供粮食存储所需能量,同时沼气池的生物反应相当于清理了废料。根据测算,1 m3沼气相当于0.7 kg标准煤产生的能量,可发电2 kW·h左右。根据实际经验并计算得出,每百平米粮储所需能量可以由一个8~10 m3的沼气池提供。沼气池有固定成品形状,例如球形、圆柱形等。使用单位可以根据粮食储存量多少选择合适的形式,其施工技术相对成熟,可广泛应用在北方农村的粮储建筑中。同时也有结合太阳能的沼气池,一半在地上一半在地下,地上覆膜,可以根据沼池大小灵活适用,利用太阳能加热促进微生物生长,从而提供更多沼气。这种沼气池每立方米每天可以产生0.2 m3的沼气。这种方法尤其要做好清洁卫生工作。

2 减少围护结构传热系数,降低建筑能耗

就像在冬天给人穿棉袄保暖一样,减少围护结构传热系数,增加围护结构保温性能,可以有效降低建筑能耗。有研究表明,在北方,增加粮储建筑的外围护结构的保温性能,是经济有效的节能措施,可以降低建筑总体能耗的25%左右。

2.1 选用新型的外墙材料

北方寒冷地区,粮储建筑外墙常年采用的粘土砖,虽然技术成熟、便与生产、价格也低廉;但是,其传热系数大,耗热量占到整体能耗的50%左右,长远看并不经济。选用新型保温性能好的外墙材料可以很好地解决这个问题。

北方寒冷地区电厂发电产生的矿渣废料,可以用来生产保温性能好的空心砌块,用此砌筑的建筑物外墙,传热系数相比普通粘土砖要小很多。例如,200 mm厚的该种墙体热阻达到0.96 m2·K/W,比370 mm厚的普通粘土砖墙保温性能提升了1倍;而从经济方面比较,要达到设计要求的传热系数所需墙体材料,投资比普通粘土砖节省了1/4,同时工效提高了1/3。若受条件限制只能选用类似烧结砖时,可采用多空烧结砖。例如:36孔普通烧结砖,其传热系数0.58 W/(m2·K),240 mm厚此种外墙热阻达到0.41 m2·K/W,相比普通烧结砖保温性能提升了35%,具备良好的节能效果。

2.2 外围护结构采用保温节能构造

北方地区粮储建筑外围护结构除了可以采用节能墙体材料以外,在构造方面还可以采用节能保温措施。

(1)保温砂浆

保温砂浆是由具备保温能力的轻质材料,例如聚苯胶粉颗粒、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等和水泥砂浆混合搅拌而成。保温砂浆施工简单,可以作为附加保温层涂抹在围护结构内表面。例如采用240 mm厚普通烧结砖墙体,仅仅在内表面分层涂抹35 mm厚膨胀珍珠岩制成的保温砂浆,经测试其保温性能比同厚度普通砂浆提升了25%。

甚至山东省日照市墙体材料研究所生产的节能保温砂浆,仅在内表面涂抹时,采用30 mm厚的时候,可使240 mm厚墙体保温性能达到此种墙体370 mm厚时的保温性能。

(2)贴板块式保温材料

常见保温材料(例如聚苯板、岩棉保温板)都具有密度小的特点,传热系数也非常小。这就可以采用薄抹灰系统,用钢丝网或者专用锚固件把一定厚度的聚苯板固定在基层上,外部再涂刷室外专用薄涂料饰面。

(3)夹心墙体构造

夹心墙体构造分为两部分,一部分是承重的结构墙体,另一部分是保护保温材料的保护墙,二者之间有60~120 mm厚的空间,用来填充轻质保温材料,例如挤塑聚苯板、膨胀珍珠岩、矿渣等等。还可以经计算达到设计要求时,采用中空构造,不再另行填充保温材料。这种保温墙体虽然对施工有一定的要求,但是其保温性能非常好,在北方粮储建筑中可以大力推广。

2.3 采用保温屋面

目前,北方还有大量老式粮储建筑采用传统的屋面做法,没有保温层或者保温内层的保温性能达不到要求,致使其能耗居高不下,仅仅屋面的能耗损失就占整个建筑能耗的15%以上。改善北方粮储建筑的屋面保温性能势在必行。

(1)屋面保温

采用保温性能好的轻质保温材料作为保温层。例如,传热系数小、密度小的憎水膨胀珍珠岩,他的传热系数分别比传统的炉渣和草泥低76%和96%,大大改善了屋面的整体保温性能;在相同厚度下,热阻也提高了4.2倍和11倍。再例如,可以把保温性能好的1∶10水泥珍珠岩板直接铺设在屋面上;甚至可将珍珠岩装入塑料袋中,摆放在屋面架空层上,等等。这些做法都可以有效提高屋面的保温性能,降低能耗。

(2)坡屋面保温

在北方粮储建筑中常见坡顶建筑,在构造上可以加入保温材料,改善坡顶的保温性能。例如:常用的砂浆卧瓦建筑构造,可以在防水层下面设置一定厚度的挤塑聚苯板;同时在坡顶下部设置吊顶,吊顶内松铺保温材料,如膨胀珍珠岩、锯末等。

2.4 节能门窗

北方粮储建筑,传统的普通外门、外窗保温性能差。其热量损失能占到整个建筑能耗的1/3。门窗的保温性能主要在缝隙封堵和材料的选择上,可从玻璃、窗框、缝隙处理三个方面来解决保温问题。

(1)双层窗的设置

相对于传统的普通窗,双层窗施工简单,保温性能适中,是一种行之有效的措施。墙体中安装两层门窗,做好密封处理,可以很好地隔绝缝隙带来的热量损耗;同时由于双层窗自然形成的空腔,使得整个外窗的保温性能提升。尤其在老粮库改造时可以采用。

(2)中空玻璃窗或者一玻一膜

对于新建粮储建筑,可以采用中空玻璃窗。在外侧玻璃选用上,可以选用镀膜钢化玻璃,减少热辐射。中空的真空层厚度以9~12 mm为宜,其保温性能明显优于双层窗。对于老旧粮储建筑的改造还可以采用一玻一膜的构造,在已有外窗内侧单独设置一层透光率80%左右的塑料薄膜,薄膜和窗户之间空腔控制在15 mm以上,成为密闭空腔,这样处理后整个窗户的热阻可提高60%。

(3)外门的保温措施

传统粮储建筑,热量通过外门的散失也很严重,并且容易被忽视。可采用夹板门并作保温处理,例如在夹板门两个门板之间的缝隙中填充轻质保温材料,常用的有40 mm厚的矿棉或珍珠岩,同时在门框四周设置防寒密封条。

(4)设置厚织物门窗帘

厚织物门窗帘在北方粮储建筑中是传统的降低热量损失的方法。对于尺寸较大的门窗,在内侧设置厚织物门窗帘,具有显著的降低热量散失作用,还有设置保温木挡板的做法也值得推广。

2.5 地面保温

北方传统粮储建筑地面保温往往被忽视。而通过地面散失的热量很大,甚至占整个建筑能耗的6%左右。加强地面保温,常用做法是在地面设置保温层。选用保温性能好的材料作为地面构造层。例如在外墙内侧1 m范围内铺设挤塑聚苯板,再在内侧整个地面下铺设200 mm厚的炉渣,可以有效降低热量损失。同时在素土夯实层上设置20 mm厚的沥青砂浆或者一层塑料薄膜,可以有效提高地面蓄热性能。

3 展望

通过对北方粮储建筑中可以采用的新技术、新材料的运用,以及各个外围护结构的保温处理,可以显著降低能耗,改善粮食储存环境,为早日实现“碳达峰、碳中和”的目标进行了有益的探索。

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