低碳背景下，气膜在砂石行业中的应用技术研究 编者按：

低碳背景下，气膜在砂石行业中的应用技术研究

编者按：

中国砂石协会于2022年8月16日-18日在湖北武汉召开第九届全国砂石骨料行业科技大会。来自国家部委和各省、市有关政府部门领导，行业专家、学者，各级行业协会代表，砂石行业及上下游产业链企业代表现场参会。这是我国砂石行业今年首个全国性会议，也是名副其实的“千人大会”，线上参会人数超十万。其中大会《论文集》受到行业同仁广泛好评。

应广大读者请求，中国砂石协会融媒体中心继续推出科技大会精选投稿论文系列报道，今天推出的论文为《气膜在砂石行业低碳减排应用技术》。原文如下：气膜在砂石行业低碳减排应用技术

（中成空间（深圳）智能技术有限公司 苟元松）

摘要：砂石是我国基础建设的重要原材料之一，随着国内天然砂、河砂等资源的枯竭和政府对开采管控力度加大，凭借在建材领域成熟的发展体系、完善的标准以及前沿的理念，建造了一批具有示范效应的项目，拉开砂石骨料向现代化转型升级的序幕，也让砂石开采重新焕发光彩。传统砂石企业不断寻求转型，脏乱差的生产环境在逐渐被改变，一大批绿色环保、智能现代的砂石骨料生产线不断出现。目前，绝大多数的砂石骨料堆场都是露天堆放，不仅产生了扬尘、噪音等，同时也产生了一些能耗增加、砂石骨料质量受损的问题，这些都与国家的环保政策和节能减排政策相违背的。未来，随着社会的发展，环保政策也必定越来越收紧。因此，砂石骨料料场的全封闭是一个不可逆转的趋势，本文通过阐述充气膜结构，探讨气膜大棚在节能减排和低碳技术应用上的优势。

关键字：绿色环保；智能现代；节能减排；低碳技术；全封闭；气膜大棚

引言

气膜建筑是用特殊的建筑膜材做外壳，配备一套智能化的送风加压系统在气膜建筑内部提供空气的微正压，把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统。室内无梁无柱，可实现全封闭、大空间、大跨度。由国外引进国内，近年来随着国家出台的一系列环保政策，许多电厂、钢厂、焦化厂、煤炭储存等已经率先掀起一波气膜封闭的浪潮，气承式膜结构因其施工速度快捷，结构形式简单，造价低廉，后期维护简便等特点在工业仓储封闭中得到迅猛发展。为响应国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，需要举全国之力助力国家早日实现“碳达峰，碳中和”目标，砂石行业也即将面临重大挑战。为此，光伏气膜新的研究理念也被植入到料场封闭的研究范围。

1.气承式膜结构的优点

1.1成熟的气膜技术

气承式膜是通过室外送风加压系统往室内送风加压形成一种微正压结构体系，在室内外压差的作用下，使膜材表面产生巨大的张力，从而形成一个具有巨大刚度、稳定性的空间结构建筑物，由于其上部结构为柔性结构体系，可以轻松满足砂石料仓储对大跨度需求，以及对复杂地形的封闭；目前气膜技术已成为料场封闭的主流选择，在国内多个钢铁厂、发电厂、煤炭煤化工等企业应用。成熟的气膜技术工艺可以抵御50年一遇最不利的风雪荷载，其独特的结构体系，是目前砂石料场封闭结构形式中最理想的结构形式。

1.2节能更环保

充气膜结构储料场膜罩部分采用高透光率膜材，白天能够充分利用日照光度无需补光，无需灯光照明。夜晚利用高效节能的二次漫反射的照明系统，大大节约照明用电；其膜罩部分极具耐酸碱腐蚀，抗老化，防紫外线，使用寿命可达25年以上。环保方面，气膜结构是依靠压力支撑的结构体系，使其内部空间具有极好的气密性，室内粉尘不易扩散到室外，避免粉尘外泄对环境造成二次污染，室内的烟气、粉尘集中收集，集中处理，实现真正的零排放。

1.3造价经济、结构安全

气膜料仓独特的结构特点决定了它的造价经济，采用特殊的建筑膜材做外壳，因内部无梁无柱，无任何钢构件，对地基承载力和基础要求较小，基本无需复杂的桩基础，只考虑上拔力及水平推力，对地质要求较低；气膜建筑因其特殊性，80%的工程量在加工厂完成，现场只需平地拼接安装，安装周期短，基本无高空作业；此外，气膜建筑外表面呈曲面型，是受风阻小的建筑，其膜罩部分具有阻燃防火功能，供风体系设备一用两备，配套备用自动发电机体系；即考虑到最不利的因素，当所有主供电源断电的情况下，且备用发电机体系无法启动，送风加压设备停滞工作；气膜从最顶部到完全塌落至地面也需要3-5小时左右，因此人员是有足够的逃生时间，不会造成人员伤亡。因此综合对比起来，气膜建筑在造价经济和结构安全性上要优传统于结构。

1.4远程智能化、数字化管理平台

气膜料仓的核心系统均配备有远程控制、监测，通过该系统，运行情况可以传输到主控中心，还可以实现PLC手机客户端监控，更直观、便捷的显示料仓各个系统的运行状态，自动监测室内温度、湿度、压力、粉尘浓度、风压、雪压等指标，达到实时监测及控制室内空气质量；如遇突发情况，实时报警，行之有效的管理人员及车辆进出的情况。

2.砂石堆场现状

2.1恶劣天气对砂石骨料质量的影响

（1）常见的骨料其饱和面干吸水率一般不超过2%，实际生产过程中所用的湿润状态骨料同时含有外在水和内在水，骨料表面存在水膜，较干燥状态会增加堆积密度，在用体积法设计配比的时候，会由于含水率的不同对结果产生较大的影响。测量骨料的水分能够有效提前确定具体生产配比，保证混凝土出厂质量。砂石骨料堆场未封闭时，不定时的雨、雪天气会使砂石的含水量不稳定，从而导致产品特性的不稳定。

（2）如果未封闭的砂石骨料堆场遭遇酸雨，则砂石骨料将会含有酸性物质，而水泥是碱性材料，用被酸雨冲刷过的砂石生产出来的混凝土，寿命和质量将不可避免的受到不利影响，从而产生安全隐患。因此，被酸雨侵蚀过的砂石骨料应当进行去酸性处理，这个处理过程将额外增加砂石骨料的生产能耗。

（3）雨水的冲刷可能导致上部的砂石骨料含泥量减少，底部的含泥量增加，而含泥量过大也会对混凝土的质量产生不利影响，因此堆场底部的砂石骨料也应当进行相应的处理，这个过程也将额外增加砂石骨料的生产能耗。

（4）大风天气不仅使砂石料场产生扬尘，也会改变砂石骨料的堆放状态，导致不利于生产和装车，需要再动用人力物力使其恢复原状，额外增加生产能耗。

2.2温度对砂石骨料的影响

（1）冬季雨雪天气将增加砂石骨料的含水量，因为冬天温度低，砂石中不可避免地出现冻块，不经过延长搅拌很难化开。

（2）冬季雨雪天气将容易使砂石骨料表面形成冰壳，降低混凝土强度和耐久性，也必须通过延长搅拌时间才能完成砂石与砂浆的热交换，把负温的砂石加热到正温，避免冰壳的出现。

（3）现今在冬季对砂石料的加热保温工序中，通常的做法是临时拉出蒸气胶管在砂石料中热吹片刻，由于北方冬季室外温度很低，砂石冻结成块情况明显，常常是吹热这块，凉了那块，虽拌料时采用了温水搅拌，但仍不能避免冻块进入模具，由于在生产过程中的冻块融化，会产生大量孔隙，严重影响了构件质量，尤其是排水管的生产。为了尽量吹化冻块，只能耗用大量时间进行吹热，但仍无法保证原料质量，施工技术要求无法达到，能耗较高。

2.3不利天气对设备的影响

（1）如果遇上雨季，无疑会给砂石破碎生产带来诸多麻烦，加之砂石破碎机等生产设备都是电机工作，遇水断电，光维修费就会给砂石厂带来不小的损失；另一方面遇水也会造成破碎机等生产设备出现生锈问题，降低生产产量。所以料场未封闭时，需要做好三防工作：防锈、防电和防雷。防锈：设备在雨水的冲刷下容易产生锈蚀，因此必须定期对生产设备做防锈处理，以保证设备的正常工作；防电：雨水的冲刷增加了电器设备漏电的风险，电路也容易因为雨水的冲刷加速老化，因此要定期做设备和电路的检查；防雷：雨季往往也伴随有雷电的发生，因此设备需要做好防雷处理；

（2）冬季如果碰上雨雪天气，生产设备有可能被冻上，启用设备后要达到正常工作状态会额外增加能耗，非金属件在低温状态下运行也可能会增加磨损，加大安全风险，降低使用寿命。

3.全封闭气膜结构的解决方案

砂石骨料料场用气膜大棚封闭后，可以消除雨、雪、大风等不利天气对砂石骨料质量产生的不利影响，大幅减小温度变化给砂石骨料质量带来的不利影响，同时可以降低不利天气和温度变化给对生产设备带来的不利影响，提高砂石骨料的质量和产量，其全封闭结构的特性，切实做到节能减排的效果。

采用气膜结构封闭后，雨、雪、大风等恶劣天气将被气膜结构阻挡在外，无法对砂石骨料质量产生影响，从而提高砂石骨料质量的稳定性，减少不必要生产能耗；

采用气膜结构封闭后，气膜内部在冬季的温度可比室外温度高出3-5℃，夏季时，启动新风换气系统，室内温度可比室外低3-5℃，不仅避免了砂石骨料在冬季可能产生的冻块问题和表面结冰问题，同时再夏季也能保证室内的工作环境；解决了砂石骨料的防冻问题，也就减少了处理此类问题而额外增加的能耗；

砂石料的含水率受天气的影响降到了最低，解决了冬季施工期间因砂子冻块对商品混凝土质量的影响，节省人工。由于料场封闭后的保温作用还降低了冬季施工搅拌水的加热费用，节约了能源消耗。同时，配套的智能新风换气系统，可以有效的改善室内的作业环境，气膜结构的通风换气系统设计至关重要。顶部智能新风换气系统当温度升高后排气阀自动打开，第一时间将顶部的热空气及湿气排出室外，从而有效减少太远辐射热传递到室内，避免室内气温升高，温度降低时自动关闭，有效节省能耗。

采用气膜结构封闭后，在气膜结构内部的设备在恶劣天气下也都可以正常工作，几乎不会受到影响，增加了设备的使用寿命，间接实现了整个社会的节能减排。

4.气膜光伏一体化的低碳技术应用

4.1光伏气膜一体化产品介绍

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。分布式光伏发电是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题，分布式光伏发电对优化能源结构、推动节能减排、实现经济可持续发展具有重要意义，同时提供绿电及碳排放指标，助力“3060”目标早日实现。

图1 光伏发电需求和气膜结构顶部特点

从上面分析可知：气膜顶部具备光伏发电所需的所有条件，为光伏在气膜上的应用提供了绝佳的应用场地。

4.2光伏气膜一体化的应用优势

4.2.1柔性光伏组件

轻质光伏组件实现了无玻璃、轻量化、薄片化和柔性化的新型晶体硅光伏组件，带边框的轻质光伏组件重量可轻至4.8kg/㎡，只有传统光伏组件的40%。轻质光伏组件通过应用复合材料，确保了组件透光性、防水性、耐紫外及耐老化的能力。

在屋顶荷载能力不变的情况下，轻质组件相较于传统光伏组件重量优势明显，这变相提高了光伏电站的整体荷载能力：在屋顶荷载能力相同的情况下，安装轻质光伏组件的屋顶无疑可以承担更大重量的荷载。轻质组件可以实现无边框和有边框两种方式，无边框轻质组件具有最低的重量和最佳的柔性，适用于各种创新性的应用领域。有边框轻质组件适用于各种承重不足的分布式屋顶。

轻质组件：无玻璃、轻量化、薄片化和柔性化，从而实现“轻柔薄美”的特点；

组件的重量：2.8- 4.8kg/每平方米；

组件的厚度：2-35mm。

4.2.1安装体量优势

利用建筑体建造太阳能发电设施的想法已经提出来多年，但推进缓慢，普通建筑体量小而散是一个比较大的困难，而单个工业仓储气膜建筑的体量非常大，其表面可利用的范围非常广，可以成为建筑体利用太阳能的新兴有生力量。气膜顶部可安装分布式光伏的面积不小于投影面积的30～40%；例如，工业仓储所用气膜建筑面积为1万平米，即可安装分布式光伏面积不小于3300㎡，远远大于普通建筑体所能利用的面积。

图2 临沂江泉集团-江鑫钢铁气膜料场

该项目是目前已建成投产运行运行时间最久且最大的单体气膜结构，气膜封闭尺寸：L440*W142*H50米，面积：62480平米。若该项目安装分布式光伏板，按投影面积35%计算，可安装光伏板面积可达：21868平米。

图3 唐山港集团京唐港区36-40#条形仓封闭项目

该项目是目前在建设的最大单体气膜结构，气膜封闭尺寸：1130*130*54.7米，面积：146900平米。若该项目安装光伏板，按投影面积35%计算，可安装分布式光伏板面积可达：51415平米。

4.2.2环境优势

普通建筑高矮不一，也是阻碍建筑体利用太阳能的一个因素，而工业仓储气膜建筑一般高度较高，且四周开阔、无遮挡，气膜顶部表面可以做到全天侯地利用太阳光。

图4 常州港录安洲港区散货堆场料场封闭项目

该项目是目前在施的最大体量气膜群项目，整个项目有4个气膜结构，项目总面积约28万平米。项目位于常州港临江位置，气膜表面可利用面积巨大，且四周开阔，无任何遮挡。

4.2.3应用优势

普通建筑顶部面积小，可利用分布式光伏安装区域也较小，利用价值不高；同时，自用的话需要配备大量的输入输出设备，无形中提高了建造成本，只能并网，而并网运行就会有电力的运送损耗，工业仓储气膜建筑只需一套输入输出设备和并网设备，且部分可以自发自用，减少了建设成本和电力运送损耗。

图5 工业仓储气膜建筑

图6 工业仓储气膜建筑

4.2.4光伏发电的利用

1）离网

光伏所发的电可以直接给气膜配套的用电设备使用，实现气膜零能耗，同时提供碳排放指标。

2）并网

光伏输出电量非线性的，白天光伏发电量大，当气膜配套的用电设备不能用完时，进入电网。晚上光伏板不发电，用电设备需要电网供电补充，按照分布式电站标准建设。

5.小结

随着我国环保政策的收紧以及双碳目标的提出，传统的露天堆场已不能满足日益严峻的环保要求，沙石的露天堆放作业不仅会引起扬尘，污染周边环境，同时影响沙石的含水量，也会造成部分沙石骨料的流失，因此急需对露天堆场进行封闭建造。近年来，一种全新的气膜仓工艺技术发展迅猛，被广泛应用于露天堆场的封闭中。气膜仓封闭工艺是近年兴起的一种新型封闭结构，其采用特殊建筑膜材作为建筑外壳，在膜材外部设置斜向钢索网系统，同时配备智能化机电设备对完全密闭的空间提供空气压力，靠内、外部压力差把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统，其具备节能环保、节省建设成本、提高经营效益、建设周期短、安全性能高等优势已在国内外发电厂、煤炭煤化工企业、钢铁冶金行业、文体场馆、港口码头等领域发展迅猛。