氣凝膠材料在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用

王末英 湖北第二師范學(xué)院副教授

氣凝膠材料從20 世紀(jì)30 年代被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，該材料具有良好的保溫隔熱性能。由于該材料制作工藝十分煩瑣，同時技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)非常高，初期主要應(yīng)用在航天航空、軍工等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對氣凝膠材料的研究取得了較大進(jìn)展，使得氣凝膠材料被更多地運用到設(shè)備保溫及管道保溫等方面。在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的推動下，建筑行業(yè)在21 世紀(jì)發(fā)展迅猛，建筑能耗總值占據(jù)了我國社會能耗總值的25%，數(shù)字十分驚人，加強建筑技能工程的發(fā)展十分緊迫?，F(xiàn)階段，我國建筑行業(yè)中常用的墻體保溫方式是外墻外保溫，由于保溫材料是放置在墻體外側(cè)，對保溫材料的防火性能要求非常高，尋找一個保溫性能好、防火等級高的外墻保溫材料，是當(dāng)下建筑外保溫行業(yè)必須重視的問題。氣凝膠材料能夠同時滿足保溫與防火兩大要求，是當(dāng)下建筑保溫材料的良好替代品，具有很好的發(fā)展前景和研究價值。

1 氣凝膠材料概述

氣凝膠是一種由超微離子組合而成的固態(tài)材料，分為碳系、硫系及硅系等多種類型，常見的有二氧化硅氣凝膠、碳?xì)饽z等[1]。相比較其他材料，氣凝膠材料不僅粒徑非常小、密度非常低，而且擁有高比表面積、高氣孔率等特征。此外，氣凝膠材料的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架和間隙都達(dá)到了納米級別。在20 世紀(jì)30 年代初期，美國科學(xué)家Steven S. Kistler 運用超臨界干燥方法獲得了二氧化硅氣凝膠[2]。

由于氣凝膠中包含規(guī)模龐大的小氣孔，并且這些氣孔的尺寸均處于納米級別，導(dǎo)致氣凝膠材料具有高孔隙率、高比表面積的特征，使氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)不足0.015 W/（m?K），僅為0.013 W/（m?K），比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低許多[3]。圖1為不同保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從圖1 可以看出，除了氣凝膠材料，其余保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)均明顯高于空氣，說明氣凝膠在保溫隔熱上有著非常大的優(yōu)勢，也正因為如此，當(dāng)下大量研究人員依舊在深入研究氣凝膠材料。

圖1 不同保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

2 氣凝膠材料在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國氣凝膠在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用非常少見，對氣凝膠研究的工作重點依舊在探索高附加值產(chǎn)品上，如航天航空、軍工及醫(yī)療等。在國外研究工作中，從21世紀(jì)初期就開始進(jìn)行了建筑領(lǐng)域的氣凝膠材料研究?，F(xiàn)階段主要研究工作主要集中在氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠涂料及氣凝膠新型板材等方面。

表1 主流氣凝膠產(chǎn)品與傳統(tǒng)墻體保溫材料的性能對比

現(xiàn)階段，我國能使用的氣凝膠材料主要有氣凝膠絕熱氈、氣凝膠顆粒及粉體等，這些氣凝膠材料在工業(yè)管道、機器保溫、冶金以及航天等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[4]。表1 為當(dāng)下主流氣凝膠產(chǎn)品與傳統(tǒng)墻體保溫材料的性能對比情況。

2.1 氣凝膠節(jié)能門窗

當(dāng)下，氣凝膠在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在節(jié)能門窗上。從當(dāng)下建筑結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)成來看，門窗的總耗能值達(dá)到了建筑總圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗能量的30%～50%，其隔熱保溫節(jié)能性能非常差，直接影響整個建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果[5]。此外，目前我國的門窗節(jié)能程度與國外許多國家相比較仍舊有限制的差距，在同等氣候環(huán)境下，國外外窗單位能耗值僅為我國的40%左右，所以降低門窗能耗是提高建筑節(jié)能的重要舉措。

氣凝膠節(jié)能門窗擁有非常好的保溫效果。通常，厚度25 mm 的雙層玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.43 W/（m?K），但是相同厚度的氣凝膠門窗的熱傳導(dǎo)系數(shù)僅為0.56 W/（m?K），并且能確保透光率在40%以上[6]?？梢姎饽z節(jié)能門窗不僅擁有很好的隔熱保溫性，還具有良好的透光性，可以廣泛使用到室內(nèi)大型場所及泳池的采光屋頂上。

2.2 在房頂太陽能集熱器上的運用

在國外許多國家，已經(jīng)將氣凝膠使用到房頂太陽能集熱器上，主要體現(xiàn)在太陽能熱水器及相關(guān)集熱設(shè)施的保溫上。通過氣凝膠材料的應(yīng)用，一方面提高了對太陽能的使用率，另一方面顯著改善了太陽能與集熱設(shè)施的實用程度。在太陽能的關(guān)鍵部件上運用氣凝膠材料，如管路、儲水箱等，其集熱效率可以達(dá)到之前的2 倍，同時能避免熱量流失。國外已設(shè)計出一款氣凝膠真空集熱器，在集熱器的外表面填充了氣凝膠材料，然而在填充過程中要控制好氣凝膠材料的填充量，盡可能減小間隙，保證擁有良好的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié)語

得益于氣凝膠材料不同的結(jié)構(gòu)特征，使得氣凝膠材料具有良好的隔熱保溫性能、防火性能，能夠有效滿足現(xiàn)代建筑墻體保溫要求。氣凝膠材料能替換傳統(tǒng)材料應(yīng)用到建筑門窗、房頂太陽能集熱器上，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景與使用價值。