納米氣凝膠作為檔案庫(kù)房墻體保溫材料的實(shí)踐研究

張建明/上海市檔案館

1 檔案館隔熱材料特點(diǎn)分析

檔案館建筑能耗最大的主要是采暖和制冷空調(diào)設(shè)備，約占總能耗的60%—70%。在采暖和制冷空調(diào)設(shè)備的耗能中，50%以上的能量又因圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱而消耗。因此，在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上使用保溫隔熱材料是節(jié)約能源、提高建筑功能的一個(gè)重要舉措。常用的隔熱保溫材料可分為無(wú)機(jī)保溫材料和有機(jī)保溫材料，無(wú)機(jī)保溫材料分為膨脹珍珠巖、加氣混凝土、巖棉、玻璃棉等，有機(jī)保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。無(wú)機(jī)材料有阻燃、耐腐蝕等特點(diǎn)，有機(jī)材料有良好的疏水性[1]。保溫材料一般具有輕質(zhì)、疏松、呈多孔狀或纖維狀的特性，能夠使得空氣在材料的空隙間不流通，確保溫度流失緩慢。保溫材料性能的優(yōu)劣主要取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫性能越好。

在檔案館使用的保溫隔熱材料，要求其具有阻燃、憎水、無(wú)毒性、無(wú)揮發(fā)性氣味、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕等特性。相比較而言，常用的保溫隔熱材料都存在一些問題，比如泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)小、隔熱保溫效果好，但卻極度易燃，上?！?1·15”特大火災(zāi)就是因?yàn)檫@種保溫材料易燃造成的；巖棉、玻璃棉等纖維狀隔熱保溫材料能承受高溫度，但容易吸取空氣中的濕氣；粉末材料阻燃，但導(dǎo)熱系數(shù)大，容易吸取空氣中的濕氣并腐爛[2]。因此，研究節(jié)能和防火兼?zhèn)?、輕質(zhì)環(huán)保的保溫材料是當(dāng)務(wù)之急[3]。氣凝膠作為一種新的保溫隔熱材料，在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于軍工、航空航天等重要領(lǐng)域，民用還沒有大規(guī)模展開，但隨著軍民融合的不斷深入，勢(shì)必會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于民用建筑中。在檔案庫(kù)房中應(yīng)用氣凝膠，具有重要意義。

2 氣凝膠的特性分析和研究現(xiàn)狀

氣凝膠是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，密度僅為3.55kg/m3，被稱為世界上最輕的固體。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，非常柔弱，實(shí)則堅(jiān)固耐用，最高能承受1000℃的高溫。其最初應(yīng)用于航空航天方面，俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用到了氣凝膠材料。氣凝膠的成分和玻璃一樣，都是二氧化硅，但氣凝膠99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。目前國(guó)外關(guān)于氣凝膠材料的研究主要集中在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、法國(guó)的蒙彼利埃材料研究中心、日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)的勞倫茲·利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[4]。國(guó)內(nèi)有同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等高校開展研究，特別是同濟(jì)大學(xué)在1991年開始全面開展氣凝膠的研制與應(yīng)用工作，是國(guó)內(nèi)研究最早、研究最廣的單位。

3 檔案庫(kù)房墻體保溫材料實(shí)踐過程

3.1 實(shí)踐場(chǎng)所的選取及前期準(zhǔn)備工作

選取上海市閔行區(qū)檔案保管中心的一間低溫庫(kù)房，開展氣凝膠應(yīng)用檔案庫(kù)房保溫隔熱的實(shí)踐。庫(kù)房位于保管中心大樓3層南面，南墻為建筑外墻，北、東、西墻為內(nèi)墻，分別與走道和設(shè)備機(jī)房、電梯井相鄰。房間東西向長(zhǎng)7.8m，南北向?qū)?.2m，高度為3.4m。由于該房間主要存放影像資料，所需要的室內(nèi)環(huán)境要求為常年保持14℃，與其他庫(kù)房的環(huán)境要求差異較大。因此該房間由獨(dú)立的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)保證室內(nèi)的溫濕度要求。其中空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量為7000m3/h，換氣次數(shù)達(dá)到37次/h。庫(kù)房所涉及的圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括南向外墻、東西北向的內(nèi)墻，以及分隔各層的樓板，外墻采用內(nèi)外保溫，材料為外側(cè)40厚I型無(wú)機(jī)保溫砂漿，內(nèi)側(cè)為30厚II型無(wú)機(jī)保溫砂漿；內(nèi)墻材料為200mm輕質(zhì)磚+50mm珍珠巖水泥砂漿；樓板采用100mm混凝土+60mm混凝土找平。

本次實(shí)驗(yàn)選用的二氧化硅納米保溫氈（見圖1），是一種由納米二氧化硅氣凝膠與無(wú)機(jī)纖維材料通過特殊工藝復(fù)合而成的氈狀材料，復(fù)合后的氈狀材料有一定柔性，可根據(jù)需要任意彎曲且不影響其保溫、不燃、憎水等性能[5]。

3.2 工程實(shí)施過程[6]

一是墻體保溫施工，保溫氈按豎直方式鋪貼，每幅豎縫擠緊拼接；鋪貼或固定后，接縫處再次擠緊，氈的縫寬小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實(shí)。

二是除門窗洞口外，內(nèi)保溫同一層墻體保溫氈不宜產(chǎn)生水平接縫。保溫氈施工應(yīng)在粘結(jié)砂漿干燥固化前施工，中途停頓或每天施工結(jié)束，墻面多余的粘結(jié)砂漿應(yīng)清理干凈。

三是保溫氈粘貼方法要求：內(nèi)保溫采用滿粘（粘貼面積不得少于保溫氈面積的80%），混凝土屋面保溫和樓地面保溫采用條粘或點(diǎn)粘，建筑幕墻保溫不粘貼，直接錨固件固定。

四是石膏板接縫與保溫氈接縫內(nèi)外錯(cuò)開，錨固件固定避開暗線管位置。內(nèi)保溫施工錨固件固定水平、豎直最小間距均不得大于500mm，錨固件離石膏板邊緣間距不得大于80mm；幕墻保溫施工錨固件固定水平、豎直間距均不得大于450mm，錨固件離防護(hù)面層邊緣間距不得大于80mm，也可齊縫固定。

五是建筑幕墻保溫氈施工，每幅鋪貼長(zhǎng)度控制在5—8m，遇主角碼位置，割開保溫氈嵌入，露出主角碼，保溫氈切開部位翻邊用60mm寬鋁箔膠帶密閉處理，每邊搭接不少于25mm，防止保溫氈基材毛邊或裸露。

六是保溫氈接縫采用平縫擠緊拼接，水平接縫應(yīng)逐行錯(cuò)縫；錨固后，接縫處再次擠緊，氈的縫寬應(yīng)小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實(shí)；最后用60mm寬鋁箔膠帶沿縫中間貼上，每邊搭接不少于25mm。

七是屋面保溫氈鋪設(shè)：粘結(jié)砂漿采用條粘或點(diǎn)粘，沿屋脊方向從一端開始向另一端拉線鋪設(shè)，采用平縫擠緊拼接施工，豎縫應(yīng)逐行錯(cuò)縫，縫寬應(yīng)小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實(shí)。若分層鋪設(shè)，其上下兩層應(yīng)錯(cuò)開。

八是樓地面與墻交接部位保溫氈翻起100mm，踢腳線鋪設(shè)時(shí)覆蓋。若工程墻體內(nèi)保溫、樓地面保溫均采用保溫氈施工，樓地面與墻交接部位保溫氈不宜斷開。

九是嚴(yán)禁重物或尖物撞擊墻面和門窗框，以免損傷破壞，對(duì)碰撞壞的墻面及門窗框應(yīng)及時(shí)修復(fù)[7]。

3.3 實(shí)踐的數(shù)據(jù)采集

在實(shí)際工況條件下，跟蹤記錄實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)外溫濕度的變化，以及由此產(chǎn)生的空調(diào)負(fù)荷。在充分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示范工程調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定了示范工程的測(cè)試方案，方案綜合考慮了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及自記型溫濕度儀器的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄測(cè)試期間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的冷熱負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的冷熱負(fù)荷；通過在夏季1—2個(gè)月的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計(jì)分析兩者的熱量平衡，以此模擬預(yù)測(cè)全年的空調(diào)負(fù)荷和相應(yīng)的能耗。

3.3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試布點(diǎn)方案（見圖2）。在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制平臺(tái)上，增加關(guān)鍵部位的溫濕度傳感器，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄實(shí)驗(yàn)工況下的溫濕度數(shù)據(jù)。布點(diǎn)上主要考慮實(shí)驗(yàn)庫(kù)房四周不同墻體內(nèi)外側(cè)的溫度，空調(diào)系統(tǒng)供回風(fēng)側(cè)溫濕度。對(duì)于墻體內(nèi)外表面的壁面溫度，采用鉑電阻溫度傳感器嵌入墻體，內(nèi)部用導(dǎo)熱硅膠填充，表面磨平。

圖1：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所采用的納米二氧化硅保溫氈

圖2：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所傳感器布置示意圖

3.3.2 溫濕度自記儀布置方案?，F(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的是墻體壁面溫度和空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部溫度，尚無(wú)法覆蓋實(shí)驗(yàn)房間及其周邊的空氣溫度，因此在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在房間內(nèi)部和四周走道以及上下層空間內(nèi)放置溫濕度自記儀作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，共同參與計(jì)算分析。

3.3.3 熱平衡原理。利用熱平衡方程，建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系，以此論證氣凝膠材料的節(jié)能效果；通過對(duì)1—2個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，推算全年的節(jié)能效果。

其中室內(nèi)熱平衡基本公式如下：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱在監(jiān)測(cè)期形成的累計(jì)熱負(fù)荷：

Q圍護(hù)結(jié)構(gòu)=∑KF（tout-tin）τ

由于庫(kù)房只有兩個(gè)內(nèi)門與3層外間連接，因此需要考慮鄰室滲透引起的冷負(fù)荷：

Q滲透=∑m（i外-i內(nèi)）τ

空調(diào)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)期間承擔(dān)的累計(jì)熱負(fù)荷：

Q空調(diào)系統(tǒng)=∑m（tin-t入口)τ

因此在實(shí)際工況下，只要記錄過程中的溫濕度情況，就可獲得房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，并與實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比矯正。

從氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取上海地區(qū)常年的室外氣象參數(shù)，就可以獲得理論條件下的室內(nèi)冷熱負(fù)荷，對(duì)比非內(nèi)保溫工況下的負(fù)荷值，便可以獲得負(fù)荷節(jié)約量和對(duì)應(yīng)的理論節(jié)能量。

本次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)在示范建筑的內(nèi)保溫工程、庫(kù)房獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)及其環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后進(jìn)行，時(shí)間位于2017年夏末秋初，室外溫度在20—30℃之間波動(dòng)，連續(xù)記錄日期為2017年9月7日至9月29日，共三周時(shí)間，數(shù)據(jù)采集周期為10分鐘。室外空氣溫度基本在20—30℃范圍變化，且總體上有逐日下降的趨勢(shì)；2層與4層溫度隨著室外的氣溫變化也逐漸下降，在變化波動(dòng)性方面更加穩(wěn)定，且由于自然熱壓作用，4層溫度總體高于2層。3層庫(kù)房?jī)?nèi)的溫度總體保持在18±1℃的范圍內(nèi)，基本滿足了庫(kù)房對(duì)溫度的設(shè)定和變化范圍的要求。另外3層庫(kù)房?jī)?nèi)空氣溫度與相鄰空間的溫差基本在3℃以上。利用庫(kù)內(nèi)外空間空氣溫度的差值并結(jié)合空間隔斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，便可以計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的傳熱負(fù)荷可以定義為該時(shí)間點(diǎn)附近時(shí)間間隔內(nèi)（本次監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔設(shè)定在10分鐘）的傳熱量，利用累加的方法，便可以得到一段監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)累計(jì)的傳熱量。

室外空氣相對(duì)濕度隨著早晚氣溫的變化和陰晴狀況變化波動(dòng)明顯，在45—95%的大范圍區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，相比之下室內(nèi)各層的相對(duì)濕度變化范圍較窄，其中3層庫(kù)房的相對(duì)濕度在75%±5%的范圍內(nèi)波動(dòng)，4層空氣相對(duì)濕度在70%±5%的范圍內(nèi)波動(dòng)，而2層空氣相對(duì)濕度在80%±5%的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.4 熱平衡分析

按照熱平衡原理和計(jì)算方法，分別計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)回風(fēng)口的提供的冷熱負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷以及滲透因素形成的冷負(fù)荷，其熱平衡關(guān)系為：

Q空調(diào)系統(tǒng)=Q圍護(hù)結(jié)構(gòu)＋Q滲透

進(jìn)而得到：

∑空調(diào)出風(fēng)－∑空調(diào)回風(fēng)=∑外墻＋∑內(nèi)墻＋∑樓板＋∑滲透

在上述平衡計(jì)算中，隱藏著唯一一個(gè)變量，就是內(nèi)保溫材料的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)修正αλ，利用熱平衡關(guān)系，通過試算的方法，便可以求得αλ的值。該值是一個(gè)≥1的數(shù)值，越接近1說明內(nèi)保溫材料實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)越接近實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。

通過計(jì)算，保溫氈的導(dǎo)熱系數(shù)修正為1.048，非常接近實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，由此說明示范工程的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝可以有效地保障保溫氈的保溫效果。

3.5 全年節(jié)能效果分析

分析思路：利用上海市典型氣象年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，模擬庫(kù)房空調(diào)全年的環(huán)境，從而分別計(jì)算有無(wú)保溫氈條件下的空調(diào)負(fù)荷。另外假設(shè)獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)全年平均COP為3.0，從而推算有無(wú)保溫氈空調(diào)系統(tǒng)的耗電量，最終分析得到全年庫(kù)房的節(jié)能量。

3.5.1 上海市典型氣象年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)

本實(shí)踐工程位于上海市閔行區(qū)檔案保管中心，能耗模擬與對(duì)比分析所采用的庫(kù)房室內(nèi)溫度設(shè)定在16℃，庫(kù)房以外的其他區(qū)域設(shè)定在25℃。節(jié)能模擬計(jì)算分析采用的氣象數(shù)據(jù)為專為上海地區(qū)進(jìn)行能耗模擬計(jì)算的上海地區(qū)典型氣象年逐時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)。典型氣象年是由12個(gè)具有最接近歷史平均值統(tǒng)計(jì)意義的典型月組成的“假想”氣象年[8]。

3.5.2 檔案館庫(kù)房室內(nèi)溫度的設(shè)定

根據(jù)檔案館室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，能耗模擬與對(duì)比分析所采用的庫(kù)房室內(nèi)溫度設(shè)定在16℃，庫(kù)房以外的其他區(qū)域設(shè)定在25℃。

3.5.3 庫(kù)房分時(shí)冷熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)庫(kù)房及其周邊空間的設(shè)計(jì)溫度、室外典型氣象年逐時(shí)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后的傳熱系數(shù)，使用傳熱公式可以求得庫(kù)房逐時(shí)冷熱負(fù)荷。

3.5.4 全年耗電量對(duì)比與節(jié)電效果評(píng)價(jià)

對(duì)模擬工況下庫(kù)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)保溫節(jié)能改造前后全年耗電量進(jìn)行累計(jì)和對(duì)比，其中假定低溫空調(diào)系統(tǒng)的年平均COP為3.0。經(jīng)計(jì)算，庫(kù)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前全年累計(jì)的耗電量為14064.6kWh，改造后全年累計(jì)耗電量為7740.1kWh，節(jié)能率達(dá)45%。

4 結(jié)語(yǔ)

在基于實(shí)驗(yàn)獲得的材料實(shí)際傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合上海市典型氣象年逐時(shí)溫度，模擬計(jì)算并對(duì)比分析了庫(kù)房節(jié)能改造前后空調(diào)系統(tǒng)的耗電量及其相關(guān)電費(fèi)；同時(shí)根據(jù)節(jié)能工程的初投資，計(jì)算了該節(jié)能隔熱材料的靜態(tài)投資回收期為16.94，因此投資回收期較長(zhǎng)。這與該材料目前市場(chǎng)的成熟度、使用量不夠，產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模效應(yīng)尚沒有釋放有密切關(guān)系。待通過該材料量產(chǎn)后，市場(chǎng)價(jià)格由500元/m2降至230元/m2甚至更低的時(shí)候，投資回收期可控制在8年以內(nèi)，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。