節(jié)能設(shè)計(jì)理念在住宅建筑設(shè)計(jì)中的滲透

劉勁

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安710065）

1 房屋建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能環(huán)保理念的應(yīng)用

1.1 選材時(shí)的節(jié)能環(huán)保理念

材料是工程建設(shè)領(lǐng)域必不可少的要素，選擇建筑材料時(shí)，要注重節(jié)能環(huán)保的理念，挑選質(zhì)量良好且節(jié)能環(huán)保的材料，立足于項(xiàng)目所在地區(qū)的實(shí)際情況，選擇最適宜的材料，最大程度上減少環(huán)境污染。自第二次科技革命之后，全球科技水平實(shí)現(xiàn)了突破式發(fā)展，多學(xué)科技術(shù)交織的背景下涌現(xiàn)出了一大批新型產(chǎn)品。從材料的角度來看，新型材料在生產(chǎn)成本、使用性能等方面都有著較大突破，以合理的方式應(yīng)用于建筑工程中，在滿足質(zhì)量要求的同時(shí)還可起到減少能源損耗的效果。當(dāng)然，新型材料的選擇要避免盲目性，宜遵循就近選材的原則，以免因長(zhǎng)距離運(yùn)輸而出現(xiàn)材料損耗問題。

1.2 利用好新型能源

基于科技水平的提升，大量新型節(jié)能材料相繼被應(yīng)用于建設(shè)工作中，與此同時(shí)，能源利用形式也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，以煤炭為代表的傳統(tǒng)能源市場(chǎng)逐步縮減，新能源地位上升。但從我國(guó)國(guó)情來看，基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目依然在大規(guī)模推進(jìn)，能源短缺問題未得到實(shí)質(zhì)性解決，且環(huán)境污染也尤為普遍，因此，建筑設(shè)計(jì)工作中要注重能源應(yīng)用問題，如以合理的方式發(fā)揮出太陽能、風(fēng)能的優(yōu)勢(shì)等。

2 硅基氣凝膠在建材領(lǐng)域的應(yīng)用

十八屆五中全會(huì)提出的“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，首先就是要深入推進(jìn)科技創(chuàng)新發(fā)展。2014年和2015年，國(guó)家發(fā)改委連續(xù)兩年將氣凝膠材料列為《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，開始了對(duì)氣凝膠材料的初步推廣應(yīng)用。2018年9月1日，我國(guó)第一個(gè)氣凝膠材料方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——GB/T 34336—2017《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》【1】正式實(shí)施。11月26日，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局令第23號(hào)），氣凝膠及其制品被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)項(xiàng)。12月3日，工業(yè)和信息化部、國(guó)防科工局聯(lián)合發(fā)布了2018年度《軍用技術(shù)轉(zhuǎn)民用推廣目錄》，納米孔二氧化硅氣凝膠巖棉復(fù)合保溫板入圍?！吨袊?guó)制造2025——中國(guó)建材制造業(yè)發(fā)展綱要》中，氣凝膠被列入建材新興產(chǎn)業(yè)。為進(jìn)一步做好重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用保險(xiǎn)補(bǔ)償試點(diǎn)工作，2019年12月3日發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》，自2020年1月1日起施行，氣凝膠被列入前沿新材料。建筑室內(nèi)外溫差直接影響著建筑墻體內(nèi)的表面應(yīng)力，晝夜和四季周而復(fù)始地更替極易引起傳統(tǒng)保溫材料的開裂，產(chǎn)生“熱橋”。硅基氣凝膠材料憑借其優(yōu)良的抗拉伸性能使這一問題得到充分解決，并逐步被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代建筑中。另外，由于硅基氣凝膠材料不含可被紫外線老化的有機(jī)成分，綠色環(huán)保，耐候性好，使用壽命可長(zhǎng)達(dá)30a以上。現(xiàn)階段，氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠新型復(fù)合板材等都將成為建筑行業(yè)中尤為關(guān)鍵的材料。從物理性質(zhì)角度來看，此類材料在熱學(xué)、光學(xué)等方面都較為良好，是一類值得被廣泛推廣的材料，可為節(jié)能建筑領(lǐng)域的發(fā)展提供支持。而基于氣凝膠的基本特性，也衍生出多種類型的材料。

2.1 氣凝膠新型板材、真空絕熱板

在硅基氣凝膠的基礎(chǔ)上經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)后產(chǎn)生了具備高強(qiáng)度、高熱阻特性的新型材料，較為典型的有氣凝膠新型板材、真空絕熱板等。若采取3cm厚度的形式，應(yīng)用于空心磚墻制作中具有優(yōu)良的節(jié)能效果，在相同制造規(guī)模下較傳統(tǒng)技術(shù)可節(jié)能62.9%，保溫效果遠(yuǎn)超出現(xiàn)階段的節(jié)能要求。此外，此類材料的應(yīng)用還可有效減小磚墻的厚度。

2.2 氣凝膠復(fù)合玻璃棉保溫板

基于納米硅基氣凝膠材料的應(yīng)用，可解決玻璃棉材料過厚的問題。其中，以氣凝膠絕熱板較為典型，此類材料已經(jīng)在建筑保溫領(lǐng)域取得較好的應(yīng)用效果。采用氣凝膠隔熱板，可顯著提升保溫隔熱性能，在相同條件下相較于傳統(tǒng)材料而言可提升2～5倍，且其還兼具抗拉、防水等特點(diǎn)，材料的熱穩(wěn)定性好，在多種場(chǎng)景中都具有可行性。

2.3 柔性隔熱氈

將硅基氣凝膠氣凝膠作為基礎(chǔ)材料，采用特定的工藝方法制得柔性隔熱氈具，其具備密度小、防水效果優(yōu)良、柔性高等多重特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)的建筑外墻保溫大多采用硬質(zhì)聚氨酯材料，該材料為阻燃型，一旦引燃會(huì)持續(xù)燃燒，釋放有害氣體，造成災(zāi)難性事故。氣凝膠復(fù)合板材厚度薄，防火憎水，是聚氨酯材料的理想替代品。

2.4 采光隔熱板

選取半透明氣凝膠顆粒，通過與玻璃鋼材的混合，可以形成具備優(yōu)良性能的采光隔熱板，其具備透光率高、隔熱效果好、無毒、無害的特點(diǎn)，是建筑領(lǐng)域的重要材料，常見于大型劇院、會(huì)議中心等建筑項(xiàng)目中。

2.5 氣凝膠節(jié)能玻璃

選取雙重玻璃，向其內(nèi)部填入透明保溫材料，此工藝的應(yīng)用可解決玻璃層傳熱的問題。由于氣凝膠材料僅存在一些微小的孔結(jié)構(gòu)，相比可見光波長(zhǎng)而言明顯偏小，加之其抗壓強(qiáng)度較高，可發(fā)揮出平衡外界氣壓的作用，因此，氣凝膠玻璃的綜合性能較好，在隔熱的同時(shí)還具備優(yōu)良的光學(xué)性能。此外，其還可有效阻燃，是一種環(huán)保、安全的新型建筑材料。

2.6 屋面太陽能集熱器

現(xiàn)階段，氣凝膠的應(yīng)用還延展到屋面太陽能集熱器中。研究與實(shí)際應(yīng)用情況均表明，太陽能集熱器在民用領(lǐng)域具有優(yōu)良的應(yīng)用效果，能源得到了充分利用，可減少電能的損耗【2】。行業(yè)持續(xù)發(fā)展之下，納米孔超級(jí)絕熱材料面市，由于研究人員長(zhǎng)期的努力，其在技術(shù)逐步成熟的同時(shí)成本也得到了有效控制，在太陽能集熱器的構(gòu)造中，硅基氣凝膠是儲(chǔ)水箱、集熱器的主要材料，基于該材料的應(yīng)用，解決了集熱器系統(tǒng)集熱效率偏低的問題，較傳統(tǒng)方式可提高1倍，與此同時(shí)熱損失大幅度下降。

3 硅基氣凝膠保溫隔熱材料現(xiàn)存問題與解決思路

3.1 性能優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的保溫材料主要有硅酸鋁材料、玻璃纖維材料、巖棉材料等，在施工性能、防水性能等方面差別不大的情況下，氣凝膠新材料與上述材料比較，在導(dǎo)熱性能、使用壽命、外形尺寸等方面均有較大的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：（1）隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料的2～5倍，高溫下優(yōu)勢(shì)更明顯，而且壽命更長(zhǎng)；（2）材料整體憎水，可有效防止水分進(jìn)入管道、設(shè)備內(nèi)部，同時(shí)具有A級(jí)防火性能；（3）質(zhì)輕，容易裁剪、縫制以適應(yīng)各種不同形狀的管道、設(shè)備保溫，且安裝所需時(shí)間及人力更少；（4）更小的包裹體積及更輕的質(zhì)量可大大降低保溫材料的運(yùn)輸成本；（5）對(duì)設(shè)備進(jìn)行保溫的同時(shí)，還可以起到吸聲降噪、緩沖震動(dòng)等功能，提高環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)設(shè)備；（6）僅需1/2～1/5的厚度即可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)材料相同的隔熱效果，熱損失非常小，空間利用率高【3】。

3.2 超臨界技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

超臨界干燥技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)批量制備氣凝膠的技術(shù)，已經(jīng)較為成熟，也是目前國(guó)內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。對(duì)于超臨界干燥，二氧化碳是首選的物質(zhì)。因?yàn)槠渑R界點(diǎn)的溫度壓力比較容易達(dá)到，而且二氧化碳無毒，使用安全。超臨界二氧化碳萃取干燥可使干燥時(shí)間進(jìn)一步縮短，操作費(fèi)用大幅度降低。但操作過程中要保證體系的操作溫度和壓力在二元混合物的臨界點(diǎn)上方。原因在于，在臨界曲線上方，溶質(zhì)和二氧化碳完全互溶，不存在表面張力。

超臨界流體干燥技術(shù)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在干燥過程中（即脫除水或其他溶劑的過程），由于重新建立了二氧化碳與被脫除物質(zhì)的相平衡關(guān)系，可以將殘存的被脫除溶劑最大限度地移出材料。同時(shí)，因超臨界條件下不存在表面張力，即干燥被干燥物料不存在因毛細(xì)管表面張力作用而導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)的改變，因此，可以得到粒徑很小且分布均勻的納米顆粒。超臨界干燥的另一特點(diǎn)是干燥溫度低，不破壞任何有效成分。

超臨界干燥中，氣-液界面消失，表面張力不復(fù)存在，避免了干燥應(yīng)力對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，因此，超臨界干燥可以保持完整的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所制備氣凝膠性能優(yōu)異。而采用二氧化碳作為超臨界干燥介質(zhì)時(shí)，工藝條件溫和、環(huán)保，可以大大降低干燥溫度，從而有效降低干燥過程中存在的危險(xiǎn)和能耗。

3.3 成本

氣凝膠已經(jīng)成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域極為關(guān)鍵的一類材料，常用的超臨界干燥技術(shù)采用的二氧化碳廉價(jià)、來源廣泛，且在生產(chǎn)過程中易分離回收、循環(huán)使用，可大幅度降低成本。根據(jù)上文的分析可以得知，使用液態(tài)二氧化碳為溶劑的超臨界萃取工藝有著工藝路線簡(jiǎn)單、凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。但還需要在大規(guī)模生產(chǎn)中解決成本等問題，才能夠有效推動(dòng)氣凝膠的發(fā)展，使其更為廣泛地應(yīng)用于建筑材料中。

4 結(jié)語

節(jié)能保溫是當(dāng)前乃至未來建筑事業(yè)的主要追求目標(biāo)，基于行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，將涌現(xiàn)出一系列新型材料，成為提高建筑節(jié)能水平的重要基礎(chǔ)。選取廉價(jià)原材料，經(jīng)過表面修飾、復(fù)合工藝等相關(guān)途徑后，可制得氣凝膠復(fù)合保溫材料，因其具備節(jié)能、隔熱、無毒害等多重特性，成為建筑領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。當(dāng)然，諸如成本高、批量生產(chǎn)難度大等問題依然存在，因此，仍需付出努力，為全面推動(dòng)節(jié)能建筑事業(yè)的發(fā)展助力。