深度探討低碳背景下，氣膜在砂石行業中的應用技術研究

原標題：深度探討 | 低碳背景下，氣膜在砂石行業中的應用技術研究

編者按：

中國砂石協會于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科技大會。來自國家部委和各省、市有關政府部門領導，行業專家、學者，各級行業協會代表，砂石行業及上下游產業鏈企業代表現場參會。這是我國砂石行業今年首個全國性會議，也是名副其實的千人大會，線上參會人數超十萬。其中大會《論文集》受到行業同仁廣泛好評。

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

氣膜在砂石行業低碳減排應用技術

（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，拉開砂石骨料向現代化轉型升級的序幕，也讓砂石開采重新煥發光彩。傳統砂石企業不斷尋求轉型，臟亂差的生產環境在逐漸被改變，一大批綠色環保、智能現代的砂石骨料生產線不斷出現。目前，絕大多數的砂石骨料堆場都是露天堆放，不僅產生了揚塵、噪音等，同時也產生了一些能耗增加、砂石骨料質量受損的問題，這些都與國家的環保政策和節能減排政策相違背的。未來，隨著社會的發展，環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的趨勢，本文通過闡述充氣膜結構，探討氣膜大棚在節能減排和低碳技術應用上的優勢。

關鍵字：綠色環保；智能現代；節能減排；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在氣膜建筑內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。室內無梁無柱，可實現全封閉、大空間、大跨度。由國外引進國內，近年來隨著國家出臺的一系列環保政策，許多電廠、鋼廠、焦化廠、煤炭儲存等已經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倉儲封閉中得到迅猛發展。為響應國務院印發的《關于完整準確全面貫徹新發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碳達峰，碳中和目標，砂石行業也即將面臨重大挑戰。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往室內送風加壓形成一種微正壓結構體系，在室內外壓差的作用下，使膜材表面產生巨大的張力，從而形成一個具有巨大剛度、穩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，在國內多個鋼鐵廠、發電廠、煤炭煤化工等企業應用。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節能更環保

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。夜晚利用高效節能的二次漫反射的照明系統，大大節約照明用電；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。環保方面，氣膜結構是依靠壓力支撐的結構體系，使其內部空間具有極好的氣密性，室內粉塵不易擴散到室外，避免粉塵外泄對環境造成二次污染，室內的煙氣、粉塵集中收集，集中處理，實現真正的零排放。

1.3造價經濟、結構安全

氣膜料倉獨特的結構特點決定了它的造價經濟，采用特殊的建筑膜材做外殼，因內部無梁無柱，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，現場只需平地拼接安裝，安裝周期短，基本無高空作業；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，氣膜建筑在造價經濟和結構安全性上要優傳統于結構。

1.4遠程智能化、數字化管理平臺

氣膜料倉的核心系統均配備有遠程控制、監測，通過該系統，運行情況可以傳輸到主控中心，還可以實現PLC手機客戶端監控，更直觀、便捷的顯示料倉各個系統的運行狀態，自動監測室內溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、風壓、雪壓等指標，達到實時監測及控制室內空氣質量；如遇突發情況，實時報警，行之有效的管理人員及車輛進出的情況。

2.砂石堆場現狀2.1惡劣天氣對砂石骨料質量的影響

（1）常見的骨料其飽和面干吸水率一般不超過2%，實際生產過程中所用的濕潤狀態骨料同時含有外在水和內在水，骨料表面存在水膜，較干燥狀態會增加堆積密度，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配比，保證混凝土出廠質量。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定，從而導致產品特性的不穩定。

（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，而水泥是堿性材料，用被酸雨沖刷過的砂石生產出來的混凝土，壽命和質量將不可避免的受到不利影響，從而產生安全隱患。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量產生不利影響，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能耗。

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

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凍塊，不經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。

（3）現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，由于在生產過程中的凍塊融化，會產生大量孔隙，嚴重影響了構件質量，尤其是排水管的生產。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帶來諸多麻煩，加之砂石破碎機等生產設備都是電機工作，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設備出現生銹問題，降低生產產量。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生銹蝕，因此必須定期對生產設備做防銹處理，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，生產設備有可能被凍上，啟用設備后要達到正常工作狀態會額外增加能耗，非金屬件在低溫狀態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量產生的不利影響，大幅減小溫度變化給砂石骨料質量帶來的不利影響，同時可以降低不利天氣和溫度變化給對生產設備帶來的不利影響，提高砂石骨料的質量和產量，其全封閉結構的特性，切實做到節能減排的效果。

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，無法對砂石骨料質量產生影響，從而提高砂石骨料質量的穩定性，減少不必要生產能耗；

采用氣膜結構封閉后，氣膜內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，室內溫度可比室外低3-5℃，不僅避免了砂石骨料在冬季可能產生的凍塊問題和表面結冰問題，同時再夏季也能保證室內的工作環境；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量的影響，節省人工。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，節約了能源消耗。同時，配套的智能新風換氣系統，可以有效的改善室內的作業環境，氣膜結構的通風換氣系統設計至關重要。頂部智能新風換氣系統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，避免室內氣溫升高，溫度降低時自動關閉，有效節省能耗。

采用氣膜結構封閉后，在氣膜結構內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，間接實現了整個社會的節能減排。

4.氣膜光伏一體化的低碳技術應用4.1光伏氣膜一體化產品介紹

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。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。太陽能電池經過串聯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電裝置。分布式光伏發電是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電和能源綜合利用方式，它倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題，分布式光伏發電對優化能源結構、推動節能減排、實現經濟可持續發展具有重要意義，同時提供綠電及碳排放指標，助力3060目標早日實現。

圖1 光伏發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勢4.2.1柔性光伏組件

輕質光伏組件實現了無玻璃、輕量化、薄片化和柔性化的新型晶體硅光伏組件，帶邊框的輕質光伏組件重量可輕至4.8kg/㎡，只有傳統光伏組件的40%。輕質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，輕質組件相較于傳統光伏組件重量優勢明顯，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，安裝輕質光伏組件的屋頂無疑可以承擔更大重量的荷載。輕質組件可以實現無邊框和有邊框兩種方式，無邊框輕質組件具有最低的重量和最佳的柔性，適用于各種創新性的應用領域。有邊框輕質組件適用于各種承重不足的分布式屋頂。

輕質組件：無玻璃、輕量化、薄片化和柔性化，從而實現輕柔薄美的特點；

組件的重量：2.8- 4.8kg/每平方米；

組件的厚度：2-35mm。

4.2.1安裝體量優勢

利用建筑體建造太陽能發電設施的想法已經提出來多年，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36-40條形倉封閉項目

4.2.2環境優勢

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應用優勢

普通建筑頂部面積小，可利用分布式光伏安裝區域也較小，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，而并網運行就會有電力的運送損耗，工業倉儲氣膜建筑只需一套輸入輸出設備和并網設備，且部分可以自發自用，減少了建設成本和電力運送損耗。

圖5工業倉儲氣膜建筑

圖6工業倉儲氣膜建筑

4.2.4光伏發電的利用

1）離網

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

2）并網

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

5.小結

隨著我國環保政策的收緊以及雙碳目標的提出，傳統的露天堆場已不能滿足日益嚴峻的環保要求，沙石的露天堆放作業不僅會引起揚塵，污染周邊環境，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系統，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、外部壓力差把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統，其具備節能環保、節省建設成本、提高經營效益、建設周期短、安全性能高等優勢已在國內外發電廠、煤炭煤化工企業、鋼鐵冶金行業、文體場館、港口碼頭等領域發展迅猛。

責編| 劉釵 翟文靜 · 審核 | 張朋

來源：中國砂石協會

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