酚醛泡沫风管全寿命能耗解析

    关键词：酚醛泡沫风管，镀锌铁皮风管，全寿命分析，节能

0　引言

    随着我国的经济的高速发展，我国资源、环境与经济增长之间的矛盾日益扩大，“煤荒”、“电荒”、“油荒”等接踵而至。据统计资料表明：按照目前的能源使用情况，我国石油的开采仅仅只能够维持20年；我国煤炭的储藏总量虽然比较大，但人均量却只有世界平均水平的1/6，而且煤炭在燃烧过程会对地球环境造成极大的破坏。因此，在新能源短期内还无法起到替代作用的今天，节能已成为我国可持续发展的关键主题！

    1　国内节能政策导向及市场要求

    1.1　我国的节能政策

    现阶段，我国能源进口已占到了我国总耗能的40％，但是，我国的能源平均利用率却非常低，只有30％左右，而发达国家的能源平均利用率均在40％以上，这说明我国具有很大的节能潜力。因此，我国政府和各行业管理部门在过去的十年中制定了大量的节能政策，以指导我国节能事业的发展。

    1997年11月，《中华人民共和国节约能法》颁布，该法第四十条明确规定：“各行业应当制定行业节能技术政策，发展、推广节能新技术、新工艺、新设备和新材料，限制或者淘汰能耗高的老旧技术、工艺、设备和材料。”

    2003年，国务院办公厅《关于开展资源节约活动的通知》30号文件决定：在2004年至2006年用三年时间在全国范围内组织开展资源节约活动，全面推进能源、原材料等资源节约和综合利用工作，政策鼓励生产、销售和使用节能、节水、环保产品的生产与开发。

    2004年11月，国家发改委制定的《节能中长期专项规划》中，更是明确提出了“‘十一五’期间住宅建筑和公共建筑严格执行节能50％的标准，加快供热体制改革，加大建筑节能技术和产品的推广力度等，可分别节能5000万吨标准煤”这一具体的节能目标。

    2005年6月下旬开始，国家领导人在不同的会议上多次重复强调要节约能源，发展循环经济。中央政府采取包括启动七项重点节能工程、政府机构带头加强资源节约等在内的四大措施全面推进能源节约。

    建设部和国家质量技术监督检验检疫总局联合发布的《公共建筑节能设计标准》于2005年7月1日起正式实施，更是首次明确了公共建筑节能设计的综合性国家标准，适用于新建、扩建和改建的公共建筑的节能设计。

    2006年3月，国务院温家宝总理在政府工作报告中首次提出降低能耗的具体目标：“十一五”期间单位国内生产总值能耗将降低20％。这也是历次政府工作报告中首次将能耗指标与GDP并提，表明了节能已成为了到我国的一项国策。

    以上政策和法规表明，实行节能是一项利国利民的措施，是我国可持续发展的根本要求，因此，一定要在各行各业中大力开发和采用节能技术和产品。

    1.2 中央空调风管市场要求

    随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，中央空调在建筑中的使用也越来越普遍。据中国建筑学会暖通空调专业委员会统计：2005年我国中央空调风管的年需求量在1亿㎡以上，预计到2010年全国需求量将达到2亿㎡。因此，在中央空调风管市场开发和推广节能产品大有可为。

    中央空调风管可以分为两大类，一类是传统风管，如镀锌铁皮风管，它采用镀锌铁皮加保温层的结构，另一类是复合风管，如酚醛泡沫风管，这种风管本身就具有很好的保温效果，因此它们不需要在风管的外部再增加一层保温层。现阶段，虽然镀锌铁皮风管在我国的中央空调风管市场依然占据着绝对的地位，但以酚醛泡沫风管为代表的复合风管具有绝热性能好、安装维修方便、使用寿命长、外观美观等优势，已成为了中央空调风管的升级换代产品，被广泛应用于各类工业和民用建筑中。

    与其它复合风管相比，酚醛泡沫风管还具有防火性能好的特点。现行的《建筑设计防火规范》[1]第9.3.12条和《高层民用建筑防火规范》[2]第8.5.6条规定：“通风、空气调节系统的管道等，应采用不燃材料制作”。由于酚醛泡沫材料是有机保温材料中唯一可以达到不燃A级的产品，再加上其质量轻、保温性能好、易于安装和外观精美等其他复合风管所具有的优点，因此它必将成为中央空调风管市场的主导产品。

    2 全寿命周期能耗分析方法

    衡量一种产品是否节能，不能只仅仅考虑该产品在生产过程中的能耗，而且还要考虑这种产品在使用过程中的能耗，即采用全寿命周期分析（LifeCycleAnalyse，简称LCA）的方法对研究对象的整个生命周期（从产品诞生到报废的整个生命周期）进行分析[3]。LCA是一种国际流行的研究方法，它已成功地应用于多项研究[4~5]，因此，本文采用LCA方法对酚醛泡沫复合风管和镀锌铁皮风管的节能特性进行分析和比较。

    根据产生顺序的不同，任何产品的全寿命周期能耗可以分为四部分：生产能耗（产品生产过程所消耗的能量，一般称为含能，Embodiedenergy）、安装能耗、使用能耗和拆除能耗。相对于其他两部分能耗，风管的安装能耗和拆除能耗在风管的全寿命周期中所占的比例较小，不可预见性较大，且现阶段的研究资料也比较少，因此，在本文的研究中没有考虑风管的安装能耗和拆除能耗，而是简单地认为风管的全寿命周期能耗由风管的含能和风管的使用能耗两部分组成。

    表1是几种常用材料的含能表[5]。从表中可以看出，不同材料的含能不同，有的差别还很大，因此在酚醛泡沫复合风管和镀锌铁皮风管节能特性比较时必须对这两种风管所耗用的材料进行详细计算，然后才能准确计算出这两种不同风管的含能。

    表1 几种常用材料的含能（MJ/kg）

    中央空调风管的作用是将冷风或热风从空调机组输送到用户需要的位置，由于风管输送的冷风或热风与环境存在着一定的温差，因此在输送过程中必然会产生热量的传递，使得输送的冷量或热量减少，从而造成了能量的损耗。冷风或热风与环境之间热量的传递不仅与风管的导热系数相关，而且还与送风与环境的温差、空调的使用时间等具体情况相关，因此在计算风管使用过程的能耗中必须根据风管使用的具体情况进行分析。

    3　风管全寿命能耗比较

    3.1　含能比较

    镀锌铁皮风管采用镀锌钢板加保温层的方式构成。风管尺寸不一样，镀锌钢板的厚度也不一样，一般为0.5mm至1.5mm，而保温层厚度一般为20mm至50mm。由此可以计算出：1㎡镀锌铁皮风管需要钢材8.58kg，橡塑泡沫保温材料2.145kg（计算中镀锌铁皮厚度取1mm；保温层采用橡塑泡沫材料，密度为65kg/m3，厚度取30mm；材料损耗系数取1.1）。

    酚醛泡沫风管采用在酚醛泡沫材料表面覆盖铝箔的方式构成。一般地，酚醛泡沫材料的厚度为20mm至30mm，密度为50kg/m3；铝箔采用双面覆盖的方式，铝箔厚度一般为40μm~60μm。由此可以计算出：1㎡酚醛泡沫风管需要铝材0.297kg，酚醛泡沫保温材料1.375kg（计算中铝箔厚度取50μm；酚醛泡沫材料厚度取25mm；材料损耗系数取1.1）。

    根据表1中数据，可以计算出：镀锌铁皮风管的含能为454.74MJ/㎡，酚醛泡沫风管的含能为135.96MJ/㎡（橡塑泡沫材料和酚醛泡沫材料的含能均按一般塑料的含能计算）。即酚醛泡沫风管的含能只有镀锌铁皮风管的29.9％。

    现阶段，我国每年大约需要增加中央空调风管面积1亿㎡，如果全国每年新增的1亿㎡风管全部采用采用酚醛泡沫风管，则每年大约可以减少3.1878*1010MJ的能源消耗，这约合120万吨标准煤。如果按60吨一个火车车皮的装载量进行计算，则这些节约的标准煤可装满2万个左右的火车车皮。

    3.2　使用过程能耗比较

    与发达国家相比，我国空调系统的能耗过高。降低空调系统能耗的有效办法是减少建筑与外界的能量交换以及降低空调系统输送过程中的能耗，因此，采用保温材料对空调系统的风管进行保温是一种常用的节能方法。

    通常风管系统造成能量损失主要有以下两种：通过管壁温差造成的能量损失；风管漏风所造成的能量损失。前者所造成的损失往往很大，甚至每年达到了几十万元[6]。由于目前漏风所造成的损失尚无统一的测定方法，因此本文只对第一种情况造成的能量损失进行重点分析。具体计算公式如下：

      ——（1）

    式中：——能量损失量，kW/㎡；

    ——环境温度与风管内热风或冷风温度的温差，℃；

    D——风管表面换热系数，取8.14W/(m·℃)；

    ——风管管壁的厚度，m；

    ——风管的导热系数，W/(m·℃)。

    为了详细分析各种常用风管（钢板风管、玻璃钢风管、玻纤风管、酚醛泡沫复合风管）在使用过程中的能耗，本文以广州市某大酒店中央空调系统为实例进行计算，该中央空调系统采用新风+风机盘管形式，风管的总使用面积为10,000㎡，每天平均使用16小时，全年共运行6个月时间。具体计算结果见表2。

    表2　各风管系统的能耗损失比较

    注：各风管的壁厚（含保温层）取25mm；取16℃；主机的平均COP值取3。

    从表2中可以看出：各种风管的能量损失相差非常大，在相同的运行条件下，镀锌铁皮风管的能耗最大，1㎡镀锌铁皮风管1年消耗电量24.96kWh（约合89.86MJ），而酚醛泡沫风管的能耗最小，1㎡酚醛泡沫风管1年只消耗电量13.44kWh（约合48.38MJ），比镀锌铁皮风管减少了11.52kWh（约合41.47MJ），节能率高达46.2％。