木材在建筑節(jié)能和優(yōu)化社會材料結(jié)構(gòu)中的作用
1 節(jié)能降耗是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然選擇
2005年國務(wù)院下達了關(guān)于建設(shè)節(jié)約型社會的通知,將節(jié)能降耗提到了重要位置。這是落實科學發(fā)展觀、實現(xiàn)社會經(jīng)濟全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必然要求,也是針對我國目前所處的發(fā)展階段、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及所面臨的發(fā)展機遇而做出的戰(zhàn)略決策。
由于我國經(jīng)濟粗放型增長的方式尚未根本改變,造成經(jīng)濟的快速增長,在很大程度上是靠大量消耗物質(zhì)資源實現(xiàn)的。我國萬元GDP的能源、原材料和水資源消耗,大大高于世界平均水平,萬元GDP的能耗是發(fā)達國家的4倍多。
另一方面,我國各種資源均相對不足,耕地、水資源、森林、石油、天然氣等的人均占有量,分別只有世界平均水平的1/3、1/4、1/5、1/10和1/22,資源對經(jīng)濟的制約作用也越來越大。石油和鐵、銅、鋁等礦產(chǎn)的國內(nèi)保障程度很低,對國際市場的依存度很高。2006年我國的石油對外依存度為47%,鐵礦石對外依存度已達51.1%。因此,黨中央、國務(wù)院高度重視節(jié)能降耗,在“十一五”計劃中提出了,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降20%的約束性目標。
2 木材是具有節(jié)能降耗功能的優(yōu)良建材
隨著石油、煤炭、電力等能源供應的日趨緊張、價格上漲,社會節(jié)約能源的問題擺在了每一個行業(yè)的面前,而能源消耗大戶的建筑業(yè),理當成為節(jié)能挖潛的重點行業(yè)。
在各項能源消耗中,建筑能源所占的比例呈逐年增高趨勢。據(jù)初步測算:我國建筑物的使用能耗,已從上世紀的10%上升到了30%左右;在開采、生產(chǎn)和運輸過程中,建筑材料的制造能耗約占16.7%,因而與建筑相關(guān)的能耗已占總能耗的46.7%左右,單位建筑面積的能耗,為發(fā)達國家的2~3倍,其重要原因之一是不重視建材的合理利用。
木材作為優(yōu)良的建筑材料,具有吸音、隔熱和強重比大等優(yōu)點,其熱導率僅為0.15~0.30W/(m k),而鋁、鋼分別為174和50W/(m k),相差數(shù)百倍。有資料介紹:要達到想太多保溫效果,使用木材的厚度僅是水泥1/16、磚的1/30、鋼的1/400、鋁的1/1600。
充分利用木材優(yōu)異的保溫性能,可以大大減少建筑物圍護結(jié)構(gòu)的能力損失,而且,與礦物原材料相比,木材是可以再生的材料,在生長、開采和加工過程中排出的CO少,造成的環(huán)境污染少。如果將木材加工的制造能耗設(shè)為1,則水泥的制造能耗為5,塑料為34,鋼鐵為191,鋁為791。
推廣和實現(xiàn)建筑的節(jié)能,木材的特殊作用不可忽視。盡管不可能照搬發(fā)達國家草原木結(jié)構(gòu)住在的模式,但是完全可以根據(jù)中國的國情和建筑特點,把木質(zhì)建材用在節(jié)能降耗的關(guān)鍵部位。這方面,林產(chǎn)工藝發(fā)達國家有許多成熟的木質(zhì)建材和木制建筑部件的生產(chǎn)及應用經(jīng)驗,制得我國研究和借鑒。
2.1 現(xiàn)代高性能木窗
無論是采暖還是制冷,都是建筑能耗的主要方面,且全社會的總量很大。而現(xiàn)代高性能木窗在降低建筑能耗、減少環(huán)境污染、提高居住質(zhì)量方面,有明顯的優(yōu)勢。
建筑物的熱量傳遞有傳導、對流和輻射3種形式:對流發(fā)生在門窗的密封處和縫隙;輻射主要發(fā)生在玻璃表面;傳導主要發(fā)生在窗框、窗扇和玻璃。因此,窗戶是建筑物散發(fā)熱量最多的部位,因為是圍護結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)建筑部門測定,一般的建筑物,通過窗戶散發(fā)的能耗約占30%。
由于木材的尺寸穩(wěn)定性變異大,導致了傳統(tǒng)木窗的密封性差、使用壽命短。加之傳統(tǒng)木窗的結(jié)構(gòu)形式陳舊、性能落后,在一段時間內(nèi),鋼材、鋁材、塑料相繼成為替代木窗的窗材主材,木窗幾乎被鋼窗、鋁窗、塑料窗擠出市場。隨著市場的競爭和淘汰,特別是當今木材加工技術(shù)的進步,鋼材、鋁材逐步淡出市場,而木材作為環(huán)保的窗戶材料重新得到重視?,F(xiàn)代化的木窗已成為高檔的建筑部件,在歐洲窗戶市場,木窗的份額已達1/3。
我國由于木材供應緊張,在過去的幾十年里,對木窗結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)的研究基本停滯。近年來,我國的木材加工工業(yè)和建筑業(yè),已開始重新認識木窗的優(yōu)良性能,通過學習和引進國外先進的加工設(shè)備和技術(shù),運用科技手段,完全可以克服和限制木材的缺點,使木材成為最佳的窗用材料。
木制窗戶最大的優(yōu)點是保溫性能好,現(xiàn)代高性能木窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計,有效地保證了氣密性和防雨水滲漏性,能減少15%的建筑熱能損耗;而在夏季,同樣可以減少室外熱量的傳入,降低空調(diào)能耗。
和其他類型的窗戶一樣,木窗的基本性能,也必須符合門窗基礎(chǔ)標準中的相關(guān)要求。對于建筑外用窗,主要的性能標準有:
1)抗風壓性能;2)空氣滲透性能;3)防雨水滲透性能;4)保溫性能;5)空氣隔聲性能;6)采光性能。在正常加工條件下,高性能木窗的抗風壓性能、空氣滲透性、雨水滲透性、保溫性能,均可以達到相關(guān)標準規(guī)定的I 、II級指標,同時,還有裝飾性好、隔音性能好的優(yōu)點。在合理的制造工藝和適當?shù)木S護下,木窗的使用壽命遠比塑料窗長久。
木窗用材宜選用強度、彈性模量和握釘力較高的樹種,一般使用針葉材。我國北方地區(qū)多用落葉松作為窗戶原料,一是因為落葉松是我國北方主要造林樹種,有一定的資源蓄積量,且目前尚未開發(fā)其高效利用的途徑;二是落葉松木材強度較好,握釘力較高,有一定的天然耐腐性。其缺點是節(jié)子、松脂囊多及易翹曲,但可以通過加工制成集成材來克服。另外,用于窗戶的木材必須經(jīng)過干燥處理,最好經(jīng)過防腐處理。
2.2 坡頂結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復合工程材料
我國傳統(tǒng)的建筑物也曾是以坡屋面為主,后因木材供應緊張,改為混凝土的平屋面。鑒于平屋面的諸多缺點,也曾提出要適當發(fā)展坡屋面,但因屋架的材料問題而發(fā)展緩慢。近幾年來開始實施的平改坡工程,基本上都是在混凝土屋面的基礎(chǔ)上,搭建 一個鋼帽子,耗費了大量鋼材。
國外的輕型木結(jié)構(gòu)住宅,大多采用木質(zhì)復合工程材料作為屋面材料,北美稱為結(jié)構(gòu)復合材料(Structral Composite Lumber,SCL)。其種類有:單板層積材、平行單板條層積材、定向刨花成材、還有預制木質(zhì)工字梁、膠合木或集成材、指接結(jié)構(gòu)材(Finger Joint,FL)等。
木質(zhì)復合工程材料用作屋面的坡頂材料,其重量大大輕于鋼筋混凝土的平屋面,而且保溫性能好,還可美化和改善建筑物的外觀造型,增加有效使用面積,是非常優(yōu)秀的屋面材料。
木質(zhì)復合工程材料也是一種綜合利用率高、附加值高的人造板制品,其原料幾乎全部可以采用人工林木材、小徑材,為小徑材、間伐材的增值利用開辟了重要途徑。
經(jīng)多年的研究和試產(chǎn),對上述木質(zhì)復合工程材料中的大部分產(chǎn)品,我國已具備成熟的生產(chǎn)工藝和一定的加工能力,并已接受國外的訂貨合同,但在國內(nèi)的推廣應用卻和遲緩。究其原因,主要是上述產(chǎn)品還需要根據(jù)中國建筑的特點,進一步開展應用研究、工程設(shè)計標準規(guī)范的研究與規(guī)范的制定。
2.3 節(jié)能墻材用無機人造板
墻體是建筑圍護結(jié)構(gòu)中散發(fā)熱量最集中的部位之一,其散發(fā)的熱量占整個建筑物能耗損失的40%。我國絕大多數(shù)采暖地區(qū)的建筑圍護結(jié)構(gòu),其熱工性能均比氣候條件相近的發(fā)達國家差,外墻的傳熱系數(shù)是其3.5~4.5倍,差距主要體現(xiàn)在墻體材料和結(jié)構(gòu)上。
另外,我國的墻材以磚為主,每年取土燒磚,損失大量農(nóng)田,而且還消耗大量的能源。因此,墻材改革一直是我國建材行業(yè)的努力目標。
石膏刨花板、石膏纖維板、水泥刨花板、水泥纖維板等,均是以木刨花板或木纖維為骨料,以水泥、天然石膏、電廠脫硫石膏、磷石膏等無機材料為粘結(jié)劑而制成的幾種人造板,板材具有良好的力學性能、加工性能和熱工性能好,熱導率可以降到0.22W(m k),保溫性能優(yōu)于磚和混凝土,還可以制成復合墻體。其次,由于其隔熱、隔音性能良好,因而可大大減少建筑物墻體的厚度,同等的建筑面積下,房屋的使用面積可增加10%。
此外,脫硫石膏和磷石膏是電廠脫硫和磷酸廠生產(chǎn)排出的廢物,而石膏鍛煉出來的耗能,僅為水泥生產(chǎn)耗能的1/4。利用這些原材料,符合循環(huán)經(jīng)濟的理念。
2.4 地面保溫用木質(zhì)地材
木質(zhì)地面材料有實木地板、實木復合地板、強化木地板、軟木地板、竹地板等。室內(nèi)鋪設(shè)木地板,不僅改善居住條件,更有利于地面的保溫。其中強化木地板是以小徑材、木材加工剩余物為原料,經(jīng)加工后成為性能優(yōu)良、美觀的木地板,值得推廣。
3 木材對優(yōu)化社會材料結(jié)構(gòu)的作用
社會材料結(jié)構(gòu),指一個社會所采用的主要原材料的格局和比例關(guān)系。不同的歷史時期,人類對社會經(jīng)濟的發(fā)展和自然的關(guān)系的認識不同。
工業(yè)革命以來,社會材料結(jié)構(gòu)變化的大趨勢,先是礦物資源的開采利用迅猛發(fā)展,但由于礦物資源不可再生、能耗大、污染嚴重,人類的材料利用,轉(zhuǎn)向可持續(xù)利用、對環(huán)境更友好的可再生資源。評價社會的材料結(jié)構(gòu),不僅要看本國本地區(qū)的資源現(xiàn)狀和當前的經(jīng)濟效益,還需要著眼全局和長遠的發(fā)展,盡可能多的利用可再生、節(jié)能、污染少的經(jīng)濟適用材料。
從社會材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的觀點來看,四大材料(鋼鐵、水泥、木材、塑料)中,木材的利用最有利于社會材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。工業(yè)發(fā)達國家均把木材利用防在十分重要的位置,木材一直是其建筑業(yè)優(yōu)先考慮使用的材料,這也是這些國家的建筑能耗較低的重要原因之一。
根據(jù)國家林業(yè)局公布的資料:森林每生長1m3木材,吸收CO2 達1.83t,釋放O2 達1.62t最新的研究也表明,在加工過程中,木材的能耗亦低少,并可替代不可再生的高能耗材料和化石能源:木制品在使用周期中還要貯碳作用。充分顯示了增加木材的合理利用,是減緩氣候變暖的有效途徑。
與發(fā)達國家相比,我國木材利用存在的問題主要體現(xiàn)在:
1)消費量低。我國人均木材消費量僅為世界人均消費量的60%;2)利用范圍狹小,木材制品的生命周期短,木材綜合利用率低。許多可以使用木材或木制品的地方,卻在消耗水泥、鋼材、鋁材等高能耗的材料,木材的利用被取代或逐步收縮;3)應用形式不合理,木材的利用檔次偏低,短周期的消耗性利用占據(jù)主導。
按照木材利用的生命周期,其利用形式可分為:1)長周期的保存性利用,如工程木結(jié)構(gòu)、輕型木制住宅、建筑部件、門窗、家具、藝術(shù)品等;2)短周期的消耗性利用,如能源、紙制品、一次性木制品以及模板、支撐、腳手架等建筑施工用材。我國建筑業(yè)中,長周期、保存性的木材利用較少,即用于結(jié)構(gòu)材很少,而消耗性的施工用木材的比例卻在不斷提高。據(jù)估計:民用建筑中,門窗、裝修用材與施工用材各占40%:而工業(yè)建筑中,門窗和裝修用材僅占20%,施工用材卻占到了80%。把具有獨特節(jié)能優(yōu)勢、且在使用周期中又有貯碳作用的可再生材料,僅僅作為短周期的消耗性利用。這種不合理的社會材料結(jié)構(gòu),直接影響到我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),也是導致我國萬元GDP能耗和建筑能耗居高不降的重要原因,必須轉(zhuǎn)變。
4 實現(xiàn)社會材料結(jié)構(gòu)合理化的可行性
表面上看,在森林資源本已不足的情況下,增加木材利用的數(shù)量和擴展木材利用的范圍,似乎會給短缺的森林資源再增加壓力,事實上,在市場機制的引導下,充分擴大木材合理利用的范圍哦價值,反而可以通過林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,刺激和拉到林業(yè)的發(fā)展,形成良性循環(huán)。
4.1 加快造林和實施科學的營林措施
對于不可再生的資源,需求擴大,只能意味著加速資源的消耗。而木材是可以再生的資源,只要政策穩(wěn)定、措施得當,擴大的需求可產(chǎn)生推動林業(yè)發(fā)展的巨大動力。我國改革開發(fā)初期,開發(fā)對糧食、棉布、食油等農(nóng)產(chǎn)品市場的成功經(jīng)驗,已為正確認識我國木材利用和木材供應問題,提供了借鑒。
一些林業(yè)發(fā)達國家,以幾代人的努力,已建立起以現(xiàn)代科技支持的林業(yè)和林產(chǎn)工業(yè),實現(xiàn)了良性循環(huán),為解決林業(yè)發(fā)展和木材生產(chǎn)問題,提供了很好的經(jīng)驗。在可持續(xù)發(fā)展的前提下,大量生產(chǎn)木材,大量使用木材,完全可以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的改善和社會材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的統(tǒng)一。
以我國江蘇省為例,20世紀80年代的森林覆蓋率只有2%,自90年代開始發(fā)展人造板工業(yè)以來,對楊木的大量需求,刺激了造林的發(fā)展,現(xiàn)在全省森林覆蓋率達到14%,其中蘇北地區(qū)超過了30%。
另一方面,改革開放以來,我國的林業(yè)建設(shè)成績顯著,人工林面積已有5330多萬hm2 ,相當于我國森林總面積的32%,占世界人工林面積的38%。但是,我國人工林的平均蓄積量只有34.6m3/hm2,年生長量僅3.36m3/hm2。與林業(yè)發(fā)達國家相差2~6倍。這些數(shù)字表明,只要實施科學的經(jīng)營管理,提高單位面積木材產(chǎn)量的潛力巨大。
4.2 適度進口木材以緩解內(nèi)需
如前所述,我國的能源和重要礦產(chǎn)資源的緊缺已是不爭的事實,而這些資源、能源既是國際市場上激烈爭奪的對象,也是大國封鎖和制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要手段。最近幾年,圍繞著鐵礦砂的進口貿(mào)易,國外的鐵礦業(yè)聯(lián)手打壓中國鋼鐵業(yè),大幅度漲價的事例,充分說明了對不可再生的礦產(chǎn)資源的爭奪,已經(jīng)到了白熱化的程度。
而對于木材這以可再生的資源(除了產(chǎn)自天然林的木材以外),許多林業(yè)發(fā)達國家,其森林均已達到年生長量高于年采伐量的水平,希望在國際市場上找到買主。因此,在一段時間內(nèi),適當擴大木材進口,充分合理利用木材,減少石油和金屬礦產(chǎn)資源的消耗和對外的依賴,對我國的國家安全非常有利。特別是我國目前處在林業(yè)生態(tài)建設(shè)的大局。要滿足我國旺盛的木材需求,在一段時期之內(nèi),木材進口是必需的,也有利于我國的生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展。
4.3 提高利用率和拓展木材長周期保存性利用
較大幅度地提高木材綜合利用率,相當于增加了木材的產(chǎn)量。我國現(xiàn)有的木材利用方式,還存在嚴重的浪費現(xiàn)象,木材節(jié)約的潛力很大。主要表現(xiàn)在:
1)木材利用范圍狹窄;2)木材利用的檔次偏低,木材加工的附加值低;3)通過加工利用賺取的利潤,來反哺林業(yè)發(fā)展的作用很小,林業(yè)惡化木材加工之間缺乏良性的、互動的機制;4)用于短生命周期的施工耗材比例高,長周期的保存性利用比例低;5)木材干燥、木材保護、木材防腐及木材改性處理的比例低。
4.4 拓展可再生的生物質(zhì)資源利用途徑
我國還有大量的竹資源、農(nóng)作物秸稈等植物纖維原料資源,通過合理利用,均可補充木材供應的不足。只要真正做到“開源節(jié)流”,充分合理利用木材,木材完全可以在節(jié)能降耗中發(fā)揮重要作用。