秸秆节能材料在保温建材方面的应用研究

张 琳

(西北工业大学，西安 710129)

0 引 言

基于可持续发展观，推动农村秸秆利用，发展低碳、生态、环保并可持续利用的绿色建筑材料，具有很重要的意义。作为一种在农村广泛存在的可再生资源，将秸秆加工成为建筑建材，一方面减少了秸秆焚烧对环境空气的污染，另一方面也发挥其剩余价值和潜在价值[1-2]。近年通过对秸秆环保建材发展的研究与开发，改进现有秸秆循环利用技术，发展出了环保秸秆建筑材料[3]。推动秸秆建筑材料，既达到减污降碳的效果，又利于建筑材料行业的发展，也必将推动我国环保建筑的发展。

我国是一个消耗能源大国，其中建筑消耗能源已占到全国总能耗的28%左右[4-5]，而其中建筑结构保温不良造成的热量损耗占建筑建材总体热量损耗的75%左右[6]，因此，亟须加强建筑建材的保温隔热效果。胡敏等[7]研究了农业秸秆制备轻质建筑外包墙体的传热系数，测得其值为0.319 m·K·W-1。孙成建等[8-9]提出以秸秆为原料的植物纤维保温建材的结构热节约可以高达2.55 m·K·W-1。由王博等研究人员[10-14]的设计创新，利用稻/麦秸秆加工出了复合墙体，并应用到保温建材制造方面。本文研究分析了秸秆保温材料与普通保温建材的生产能耗和经济效应，并通过数据说明了秸秆保温材料在建筑建材方面节能减排的显著效果。

秸秆复合保温建材生产技术是以农业秸秆为主要原料，添加竹纤维、塑料等其他生物质或非生物质材料，利用特殊的加工方法，生产出环保、可塑性高、并具有高附加值功能的建筑复合环保建材[15-16]。秸秆复合保温建材生产的方法主要包括通过高质量秸秆纤维粉碎加工，进而加工改善秸秆生化活性、加工改善秸秆纤维的可塑性、加工改善秸秆建材的硬度、加工改善秸秆建材纤维的轻量化、加工改善生物质秸秆保温建材的密实性。

1 秸秆保温建材的节能效果分析

秸秆保温建材中秸秆复合材料的最小厚度计算:

通过一些秸秆的导热系数和保温建材传热系数,按照下面公式计算秸秆保温建材中秸秆复合材料的最小厚度。

L=p·(1/q-1/q0)/103

式中，L为秸秆保温材料厚度，mm；p为秸秆保温材料的热传导系数，W·m-1·K-1；q为复合建材的总热传导系数，W·m-2·K-1；q0为无保温的墙体热传导系数,W·m-2·K-1。

在《居住建筑节能设计标准》(DBJ01 -602 -2004)中，获得所提供的北京市地方标准数据，其中建筑建材保温结构传热系数的规定q取值0.50 W·m-2·K-1，秸秆保温材料的热传导系数范围为0.04～0.11 W· m-1· K-1。本文中，q0取值为1.60(普通的红砖墙，热传导系数为 0.60 W· m-1·K-1，厚度为370 mm)、1.90[17]和2.50(普通的二四砖墙，热传导系数为0.6 W·m-1·K-1，厚度为370 mm)W·m-2·K-1。计算不同热传导系数的秸秆保温材料和不同传热系数建材外墙所对应的秸秆材料最小厚度，在普通红砖墙体的外层或内层加1层厚度为80～180 mm的秸秆保温材料，复合墙体的总热传导系数可达要求的保温水平。通过保温材料的热传导系数公式计算,得出保温材料的厚度在小于200 mm的范围内，因此，在这个厚度范围内并不会显著影响建筑外墙的整体使用效果。如果使用低密度的小麦秸秆保温材料,只需80 mm厚度的材料就可满足所要求的保温水平。

2 秸秆保温建材的成分与节能估算分析

2.1 秸秆保温建材的主要组成成分占比

秸秆保温建材的主要组成成分占比，见表1。

表1 秸秆保温建材的主要组成成分占比

2.2 生产秸秆保温建材所需要的单位能耗

单位面积内秸秆保温建材墙体的节约能量以单位质量秸秆的节约能量表示，可按照下式计算：

式中，Ht为秸秆保温材料所节约的热量(MJ· kg-1)，计算中认为北方平均每年的供热为150天；h为单位质量秸秆平均每年的节约能量(kg · a)；H1为单位面积普通墙体平均每年的传导热量(MJ · m-2· a-1)；H2为单位面积秸秆保温墙体平均每年的传导热量(MJ · m-2· a-1)；G为单位面积保温材料中所含的秸秆质量(kg · m-2)；T为秸秆复合保温墙体使用年限(a)。

H1和H2按照下式计算：

式中，C2-C1为温度差值，单位为K，根据北京市地方标准数据，其值计算为17.1；t为每年供热时间，单位为秒，其中设定供热为150天，即为t=1.30×107秒。

关于普通墙体：

β取值1.60W·m-2·K-1，而秸秆保温材料的总传导值可通过热传导系数与保温材料厚度计算得出。

平均单位面积的保温材料中所含秸秆的质量是与其密度、厚度及质量系数有关，可通过下面的公式计算:

式中，G为单位面积秸秆保温材料中的秸秆质量，kg;L为秸秆保温材料厚度，mm；ρ为秸秆保温材料密度，kg· m-3；α为秸秆保温材料中秸秆质量系数。

2.3 小结

根据以上公式进行计算，计算出不同密度和热传导系数的秸秆保温复合材料的年平均节约热能(未去除秸秆保温材料的加工消耗的能量)，得出秸秆保温材料的平均每年节约45MJ· kg-1的热能，而节约的最少热能也为10 MJ· kg-1。从中可以看出，单位质量秸秆的节约热能是与保温材料热传导系数和厚度成反比。

3 秸秆保温建材生产的节能估算分析

3.1 生产秸秆环保保温建材的单位节约能量

生产秸秆环保保温建材的单位节约能量，见表2。

表2 秸秆环保保温建材的单位节约能量

由上表可知，单位质量秸秆环保建筑材料的节约能量主要由两个因素的作用决定:

(1)当保温材料厚度值固定时，随着热传导系数越低，其传热能力也越低，同时保温能力就越明显，所以最好就应该采用热传导系数小同时又具备质量轻的特点的保温材料。

(2)如果秸秆保温材料的密度与热传导系数呈正比，则热传导系数小其材料密度较低，同时质量也会很小，也因此得出单位质量秸秆所节约的热能较大。而对于保温材料厚度来说，当随着厚度值越大时，其传热能力也越低，同时保温效果也越好，但是在这样的情况下，如果保温材料厚度增加，就会导致秸秆保温材料的质量也会增大，而且其增大的速率大于墙体传热能力减小的速率，因此就会呈现出保温材料的厚度与单位质量秸秆的保温能力呈反比。

另外，上表中的数据结果并不能表示秸秆保温材料是越薄越好，因为节能效果是依据单位面积保温墙体所节约能量作为考量的，即H1-H2。对比分别以0.04、0.08和0.10 W·m-1·K-1为热传导系数的秸秆保温材料的节约能量H1-H2与该材料厚度的关系可以发现，在热传导值为0.04 W·m-1·K-1时，当其厚度由70增至210 mm时，单位面积秸秆保温复合材料的节约能量相应增加，因此，只要在建筑空间足够的情况下，采用越厚的秸秆保温材料越有利于节能。

3.2 秸秆保温建材与直接燃烧的能耗对比

如果把秸秆作为生活生产燃料的话，也是生物质能源的一种资源化利用。且目前农村多以传统生物质能源消耗为主[18]。本文因此从能量资源化利用和节约效率方面，把秸秆用于建筑节能与秸秆直接燃烧产能进行对比。依据山东省地方标准《纤维板单位产品综合能耗限额》中的内容，同时参考赵希强等文献[19]，再结合2006年中华人民共和国环境保护行业标准《清洁生产标准人造板行业》中的内容，可以得到秸秆保温建筑材料加工过程的能耗数据。秸秆作为保温建材和直接作为燃料的供能效率和节能效率见表3，其中以1 kg秸秆作为燃料和加工保温建材为标准。

表3 秸秆保温建材生产能耗与秸秆燃烧释放能量

根据上表可知，将秸秆直接用做生活生产燃料所释放的热量约为13～17 MJ·kg-1，而当秸秆保温材料的热传导系数<0.06 W·m-1·K-1且满足最小厚度的要求时，秸秆保温复合材料的单位质量秸秆年节约能量为18.5～57.2 MJ·kg-1，节约能量的水平远高于直接作为燃料能源利用的水平。由于秸秆保温材料耐腐蚀耐风化，可以使用多年，具有可持续性的节能收益，因此选择使用秸秆保温材料会得到显著的节约热能同时又减少排放的效益。

3.3 小结

综上所述，在使用秸秆作为建筑保温材料时，随着使用期限的拉长，所累积的节约总热能也就越多。与秸秆直接作为生活生产燃料供热相比，开发创新秸秆保温建筑材料是具有可持续化利用性的，同时也提高了秸秆的能量利用效率。

另外，比较以往常用的聚乙烯泡沫保温材料和新型秸秆保温建材的优缺点时可以发现，生产具有相同保温效果的聚乙烯泡沫材料和秸秆保温建材时，秸秆保温建材的碳排放量明显低于聚乙烯泡沫材料，经济性也更好。且聚乙烯泡沫材料降解困难对自然环境污染较大，因此，使用秸秆保温建材作为建筑保温材料是具有诸多优势的。考虑到秸秆保温材料与聚乙烯泡沫保温材料相比，其轻质性能可能较差不利于高层建筑保温，因此，可以考虑先在对建筑高度要求较低的东北农村及乡镇地区广泛推广利用。

4 结束语

秸秆加工成为建筑保温建材，单位质量秸秆的节能相对可观，每年节约的热量远高于它作为生产生活燃料所使用的能量，而且其带来的减污降碳效果也非常明显。在满足相同保温效果的情况下，秸秆保温材料在加工成保温建材的过程中能量消耗和碳排放量都显著低于常用的聚乙烯泡沫保温材料，在生态环保和可降解方面也优于聚乙烯泡沫材料 。如在北方农村及乡镇大力推广秸秆保温复合材料，对较少碳排放和可持续发展会有很大的实际意义。