超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料與技術(shù)

張光磊 郝 寧 趙士永

1石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（050043） 2 河北省建筑科學(xué)研究院有限公司（050021）

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑行業(yè)發(fā)展迅速，但隨之也帶來(lái)了傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境破壞問(wèn)題嚴(yán)重等這些與人類生存有緊密關(guān)系的一系列問(wèn)題。 因此，在不可再生能源日益匱乏、 環(huán)境問(wèn)題亟需解決的今天，建筑行業(yè)作為一個(gè)能源損耗量極大的行業(yè)，我國(guó)開(kāi)始了極力推廣超低能耗建筑的政策，建筑方面的科研人員抓緊聚焦于研究超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料與建筑技術(shù)方面的研發(fā)和大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。超低能耗建筑在有效降低了能源的消耗的同時(shí)還充分適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣骱彤?dāng)下的自然條件，為人們提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并且緩解了溫室效應(yīng)、霧霾加劇等這些與人們息息相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題，與現(xiàn)如今新時(shí)代的建筑方針相契合。并且對(duì)于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善人居環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展有著重大意義[1]。 超低能耗中的關(guān)鍵材料與建筑技術(shù)已成為目前的研究熱點(diǎn)。

1 超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料

一般來(lái)說(shuō)，超低能耗建筑中的材料就是指維持建筑物日常使用過(guò)程中應(yīng)用的可以達(dá)到能源消耗比較低的效果的建筑材料[2]，即在減少能源消耗的同時(shí)也需要達(dá)到建筑內(nèi)部所要達(dá)到的溫度的材料。一般都是通過(guò)改變材料自身的特性來(lái)達(dá)到建筑節(jié)能的目的，既減少能源消耗又達(dá)到建筑所需性能的材料。其中，在節(jié)能建筑、綠色建筑、生態(tài)建筑、超低能耗建筑中得到廣泛應(yīng)用的相變材料，就在超低能耗建筑中取得了顯著的效果，還有對(duì)保溫隔熱性能起著至關(guān)重要作用的新型墻體保溫材料等都是超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料。其意義在于一方面滿足了建筑空間的熱環(huán)境的要求，另一方面又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源的目標(biāo)[3]。

1.1 新型墻體保溫材料

墻體保溫材料對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能要求有著重要作用， 材料的選擇將會(huì)直接影響建筑的低能耗和保溫隔熱性能的要求。 墻體保溫材料通?？煞譃橛袡C(jī)類和無(wú)機(jī)類兩大類， 其中常見(jiàn)的有機(jī)保溫材料有擠塑聚苯乙烯泡沫板[4]和聚氨酯[5]等，廣泛應(yīng)用于超低能耗建筑中； 常見(jiàn)的無(wú)機(jī)保溫材料有膨脹珍珠巖[6]和巖棉[7]等，具有強(qiáng)耐久性、施工方便和環(huán)?？稍倮玫葍?yōu)點(diǎn)，但其保溫性相較于有機(jī)保溫材料較差。

目前，為了能夠充分的發(fā)揮保溫材料的性能，節(jié)約建筑成本，節(jié)省原料的使用及更高效的達(dá)到建筑節(jié)能的要求，研究出了一些新型的保溫材料，并應(yīng)用于各種低能耗建筑中。 復(fù)合型硅酸鹽保溫材料是一種新型的高效保溫材料，是由鎂、鋁、硅酸鹽等反應(yīng)復(fù)合而制成的，不僅具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，并且還能夠承受700 ℃以上的高溫， 在施工過(guò)程中可任意剪裁[7]，施工方便，如今在建筑工程中已廣泛應(yīng)用；改性酚醛保溫板保溫性能很好， 并且它自身的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐久性強(qiáng)[8]，可廣泛應(yīng)用于各種節(jié)能建筑中；STP 超薄真空保溫板有著優(yōu)異的保溫和阻燃性能，導(dǎo)熱系數(shù)非常低，但是材料內(nèi)部為真空，如果材料出現(xiàn)破損時(shí)就會(huì)迅速導(dǎo)致保溫隔熱性能變差[9]，并且成本高，施工復(fù)雜，目前該種材料在建筑的實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制。

墻體的保溫性能對(duì)低能耗建筑有著重要影響，而墻體保溫材料是建筑過(guò)程中的基礎(chǔ)，目前已廣泛應(yīng)用的保溫材料還是以有機(jī)保溫材料為主。 但隨著進(jìn)一步的實(shí)用型研究，一些新型的保溫材料也會(huì)逐漸在超低能耗建筑中得到廣泛的使用，以達(dá)到降低成本，大幅提高節(jié)能和保溫性能的目標(biāo)。

1.2 相變材料

相變材料近年來(lái)受到了建筑行業(yè)的推崇，在生態(tài)節(jié)能、低能耗建筑中得到了廣泛應(yīng)用。物質(zhì)的存在通常有三種形態(tài)，物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)叫相變，而在這相變過(guò)程中來(lái)蓄熱的蓄熱介質(zhì)就是我們現(xiàn)如今常稱的相變材料[10]。

通過(guò)向普通建筑材料中加入相變材料，可以制成具有較高熱容的輕質(zhì)建筑材料，以此來(lái)應(yīng)用到建筑工程中。 相變材料按照材料成分通?？煞譃闊o(wú)機(jī)類、有機(jī)類和復(fù)合儲(chǔ)熱類材料三大類。 按照相變類型則主要分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變、液-氣相變四類材料，其中應(yīng)用最多的為固-固相變材料，層狀鈣鈦礦類相變材料就是應(yīng)用于建筑工程中的一種固-固相變材料[11]。 按照儲(chǔ)能方式又可以分為顯熱儲(chǔ)能類、潛熱儲(chǔ)能類和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能類三類材料，而潛熱儲(chǔ)能類相變材料就是利用材料的相變潛熱來(lái)儲(chǔ)熱，在儲(chǔ)熱過(guò)程中可以較容易地實(shí)現(xiàn)室溫的定溫控制，因此特別適用于建筑保溫節(jié)能領(lǐng)域中[12]，并且儲(chǔ)熱的裝置簡(jiǎn)單，易于操作。 這些類相變材料在建筑使用過(guò)程中均具有體積穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能優(yōu)異并且安全節(jié)能，成本低的特點(diǎn)[13]。

為了得到更加具有優(yōu)異的性能及節(jié)能效果顯著并且生產(chǎn)簡(jiǎn)便成本低可以大范圍使用的新型相變材料，研究人員也一直在研究改進(jìn)之中。 研究人員以癸酸和月桂酸的低共熔物作為相變材料，普通石膏板為建筑基材研制出了最佳的相變儲(chǔ)能墻板[14]，貼合性能好，保溫性能優(yōu)異，具有很好的節(jié)能效果。 Ahmad 等人[15]研制出了目前應(yīng)用在建筑技術(shù)中的含有聚乙二醇-600 的聚氯乙烯石膏板相變墻體，在被動(dòng)式建筑中將微膠囊相變材料直接與混凝土摻雜，或?qū)⑾嘧儾牧戏庋b在內(nèi)墻板、地板、天花板等普通建材內(nèi)用于儲(chǔ)能節(jié)能應(yīng)用[16]。

2 超低能耗建筑中的關(guān)鍵技術(shù)

超低能耗建筑技術(shù)是指在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源和設(shè)備系統(tǒng)、智能控制、可再生能源利用等方面綜合選用各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)， 利用高效保溫隔熱技術(shù)材料，能耗水平遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑的建筑物，是一種不用或者盡量少用一次能源， 而使用可再生能源的建筑物。超低能耗建筑中除了需要用最基本的可以達(dá)到超低能耗的材料以外，還需要運(yùn)用技術(shù)來(lái)使用這些材料從而達(dá)到節(jié)能目的。

2.1 建筑外墻保溫技術(shù)

外墻保溫技術(shù)按照外墻和保溫材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要可以分為外墻內(nèi)保溫、外墻夾心保溫和外墻外保溫三類[17]。

1）外墻內(nèi)保溫就是將保溫材料粘貼在外墻內(nèi)側(cè)，方法簡(jiǎn)單，施工難度低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，升降溫所需時(shí)間短，但缺點(diǎn)是裝修時(shí)容易破壞保溫層，占用室內(nèi)空間。

2）外墻夾心保溫是用混凝土砌成內(nèi)外兩側(cè)墻，中間層為填充保溫材料， 具有防水耐久的特點(diǎn)，對(duì)保溫材料要求不高， 對(duì)季節(jié)和施工條件要求低，但墻體偏厚，構(gòu)造較傳統(tǒng)墻體復(fù)雜，外側(cè)墻體受室外氣候影響大，穩(wěn)定性較差。

3）外墻外保溫是將保溫材料粘貼在外墻外側(cè)，不占用室內(nèi)空間，減少熱橋，隔熱效果好，但對(duì)保溫材料的防水性、防火性等的要求較高。

目前大多數(shù)超低能耗建筑技術(shù)中的外墻保溫通常選擇外墻外保溫技術(shù)和外墻夾心保溫技術(shù)這兩種技術(shù),技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛，節(jié)能保溫效果優(yōu)異。

2.2 相變節(jié)能技術(shù)

相變材料在低能耗建筑和建筑設(shè)備中包括相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)[18]、相變儲(chǔ)能供暖空調(diào)系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏光熱相變儲(chǔ)能與熱管理系統(tǒng)、建筑余熱、廢熱相變回收系統(tǒng)等[19]。

相變儲(chǔ)熱墻體建筑技術(shù)將會(huì)阻斷室內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，防止室內(nèi)的熱量擴(kuò)散到室外，使室內(nèi)達(dá)到所需溫度， 以此產(chǎn)生顯著的建筑節(jié)能效果。Voelker 等人[20]為了墻體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便輕質(zhì)，將相變材料加入石膏板中制成相變墻體。 Lee 等人[21]為了改善已建建筑墻體的蓄熱能力，提出了在絕緣層的制造過(guò)程中直接將相變材料與絕緣材料混合在一起，在纖維素為載體的情況下將材料附著在墻體上。

相變儲(chǔ)能屋頂建筑技術(shù)將會(huì)減少屋內(nèi)熱量損失，改善建筑屋面的蓄熱能力，達(dá)到節(jié)能效果。Yoon等人[22]將含有相變材料的聚氨酯基膜用于屋面節(jié)能，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 將相變材料夾在聚氨酯膜和石棉層之間，三者的聯(lián)合作用可以更加提高相變材料的儲(chǔ)熱能力，達(dá)到更加高效和大幅度的節(jié)能效果。

相變儲(chǔ)能地板建筑技術(shù)則為了提升地板的蓄熱能力，減緩冬季地暖循環(huán)水溫度降低的速度，保溫的同時(shí)也大幅的節(jié)約了能源。 現(xiàn)如今冬季的取暖方式普遍用地?zé)崛∨?即暖流從地板上擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，因此Xia 等人[23]提出建立多層組合型的相變地板的結(jié)構(gòu)， 利用相變材料的蓄熱能力來(lái)參與相變的調(diào)節(jié)，以達(dá)到保溫節(jié)能的目的，使房屋在冬季都達(dá)到適宜的溫度效果，并且由于相變的儲(chǔ)熱而減少地暖能量的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 相變材料多層相變屋頂

這些相變材料在低能耗建筑相變過(guò)程中的建筑技術(shù)在較為簡(jiǎn)單方便施工的同時(shí)，將相變材料應(yīng)用在整個(gè)建筑的各個(gè)方面，高效完美的達(dá)到了建筑節(jié)能低能耗的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑行業(yè)一直是傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，但在當(dāng)今全球變暖，不可再生能源儲(chǔ)量危機(jī)的背景下，減少碳排放和減緩石化能源燃燒已成為全球共同的選擇。 建筑行業(yè)及建筑方面科研人員必須要積極響應(yīng)并加速落實(shí)我國(guó)節(jié)約能源、降低能耗的政策要求，聚焦超低能耗中的關(guān)鍵材料和技術(shù)，進(jìn)行深入全面的研究，采用節(jié)能材料及節(jié)能工藝，提高建筑物的儲(chǔ)熱能力及建筑材料的合理有效利用率， 在高效能、低成本下達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，將建筑節(jié)能行業(yè)向綠色節(jié)能的方向發(fā)展。