氣凝膠保溫材料等綠色節(jié)能技術在近零能耗建筑中的應用

高曉彤 崔雅楠 徐勤保

1 前言

據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會建筑能耗統(tǒng)計專委會2020年發(fā)布的2018年全國建筑全過程能耗總量的統(tǒng)計研究，建筑從最初材料的生產(chǎn)、運輸，再到施工、運行、拆除，在建筑全過程中碳排放量占到2018年全國總碳排放量的46.5%。與之相對應的是我國的建筑節(jié)能標準也在不斷提升。目前，我國大部分地區(qū)實施65%節(jié)能標準，一些省市實施75%節(jié)能標準，更高節(jié)能標準（節(jié)能90%）的被動式建筑或零能耗建筑也已進入示范推廣階段。高效能的建材可以提高建筑能效，減少能源利用，進而助力國家碳達峰目標實現(xiàn)。氣凝膠是指凝膠中的大部分溶劑被脫去后沒有坍塌的固體結構[1]，其空間網(wǎng)狀結構中充滿的介質是氣體。氣凝膠是優(yōu)異的絕熱材料，小于空氣分子自由程（70mm）的納米級孔洞使氣凝膠導熱系數(shù)低于靜止的空氣〔室溫約0.025W/（m·K）〕[2]，因此氣凝膠在建筑隔熱保溫方面有著優(yōu)良的表現(xiàn)。

除了提高建筑的節(jié)能效果外，人們對建筑的綠色、生態(tài)、健康、智能、安全等性能的需求也不斷提升，這不僅需要建筑圍護結構擁有更好的保溫性，也需要建筑設備的工作效率、家居的智能化以及可再生能源的利用程度實現(xiàn)重大飛躍。

筆者團隊所研究的示范屋項目以打造近零能耗建筑、提高建筑居住舒適度、優(yōu)化人與建筑的智能互動為目的，通過在示范屋中使用氣凝膠新型保溫材料、氣凝膠玻璃、電致變色玻璃、雙穩(wěn)態(tài)智能調光玻璃、帶熱回收的新風系統(tǒng)、空氣源熱泵、光伏瓦、光伏光熱一體化、室外發(fā)電地磚、智能家居等技術，實現(xiàn)建筑的低能耗、舒適化、智能化，從而驗證氣凝膠保溫材料的實用性及保溫效果、了解新型玻璃如何便利人們的日常生活、探究可再生能源在建筑中的利用率，對新型技術的推廣起到示范作用。

2 項目概況

該示范屋項目位于山西陽泉，以“被動優(yōu)先、主動優(yōu)化、最大化利用可再生能源”為設計原則，是一棟2層新建建筑，示范屋效果圖如圖1所示。該示范層建筑面積280.9m2，建筑高度8.70m，隱形鋼框架結構；主要建筑功能第1層為智能家居體驗廳、茶室、產(chǎn)品展示區(qū)，第2層為廚房、餐廳、茶室及衛(wèi)生間。

2.1 “被動優(yōu)先”原則

建筑被動式設計就是使建筑在冬季充分利用太陽輻射取暖，盡量減少通風及圍護結構上的熱量損失；夏季盡量減少太陽輻射和人員設備散熱造成的熱量。該項目位于寒冷氣候區(qū)，冬季供暖能耗遠大于夏季制冷能耗，因此南側的窗墻比大于北側，以此來增加建筑的太陽輻射得熱。建筑圍護結構保溫主要為氣凝膠相關保溫材料，其中外墻保溫采用金屬氣凝膠復合材料裝配式節(jié)能調濕系統(tǒng)，屋面保溫采用氣凝膠改性石墨復合保溫板，地面保溫采用氣凝膠氈、建筑內隔墻保溫采用氣凝膠涂層。為了保證建筑的保溫效果，同時為了滿足生活中不同使用場景需求，示范屋中的大部分玻璃采用了氣凝膠玻璃來達到保溫效果。在衛(wèi)生間、餐廳及茶室使用了雙穩(wěn)態(tài)智能調光玻璃來達到防窺的目的，在一樓的智能家居體驗廳使用了電致變色玻璃來滿足室內不同光線效果的需求。示范屋的建筑氣密性（換氣次數(shù)N50）為1次/h，以此來減少建筑圍護結構上空氣滲透造成的熱量損失。通過以上方式來最大化地降低建筑本體的能源消耗，即“被動優(yōu)先”原則。

2.2 “主動優(yōu)化”原則

該項目利用帶熱回收的新風系統(tǒng)對建筑進行通風，減少通風造成的冬季熱損失和夏季冷氣損失。照明采用高光效LED燈來提高照明效率。主要采用空氣源熱泵對房間進行供暖及制冷，空氣源熱泵節(jié)能效果突出，用在供暖上只需傳統(tǒng)電熱器1/4的電能即可獲得相同的熱量。智能家居可以為房間使用人員提供全方位的信息交互功能，有助于對建筑內設備進行集中控制，感應器可感知環(huán)境變化自動設置家居環(huán)境從而減少設備能耗。能源管理平臺可以實時監(jiān)測建筑的能源使用情況，幫助使用者更好地控制功能設備。通過以上方式來滿足室內舒適度要求，即“主動優(yōu)化”原則。

2.3 “最大化利用可再生能源”原則

示范屋北側及南側屋頂使用光伏建筑一體化（BIPV）技術，使用的光伏瓦不僅具有圍護結構的功能，同時可以為示范屋提供電能。南側屋頂采用光伏光熱一體化可為建筑提供電能及生活熱水。光伏光熱綜合利用技術是將光伏電池與太陽能集熱技術結合起來，在將太陽能轉化為電能的同時，由集熱組件中的冷卻介質帶走電池的熱量加以利用，從而提高太陽能的綜合利用效率。太陽能智慧地磚產(chǎn)品可以將太陽能轉化為熱能，讓道路直接發(fā)電，配合智慧路燈可減少夜間室外照明能耗。

通過以上措施來減少化石燃料的使用，即“最大化利用可再生能源”原則。

3 示范屋中各氣凝膠材料及其他新型材料

3.1 金屬氣凝膠復合材料裝配式節(jié)能調濕系統(tǒng)

金屬氣凝膠復合材料裝配式節(jié)能調濕系統(tǒng)是以氣凝膠改性石墨復合保溫板為保溫材料、以金屬復合裝飾板為面層，輔以外保溫濕氣管理部件組成的裝配式系統(tǒng)。

該系統(tǒng)為裝配式安裝，安全可靠，便于安裝、維護、更換及拆除，且壽命可達25年以上，符合綠色低碳的理念。系統(tǒng)中氣凝膠改性石墨復合保溫板導熱系數(shù)可達到0.045W/（m·K），保溫效果優(yōu)良。系統(tǒng)內外保溫層間設置的濕氣管理部件可以應對環(huán)境中的濕氣對系統(tǒng)保溫效果的影響，使保溫材料保持干燥，保障其保溫效果。金屬復合裝飾板表面涂層可根據(jù)使用場所不同可進行選擇，裝飾效果豐富。

3.2 氣凝膠氈

在本示范屋項目中使用了防火等級為A級，導熱系數(shù)為0.020W/（m·K）的氣凝膠氈材料作為地面保溫及管道保溫。氣凝膠氈導熱系數(shù)低于巖棉、聚氨酯材料等傳統(tǒng)的保溫材料，且具備良好的柔韌性，易裁剪，可以提高空間利用率。在相同的保溫效果下，應用在地面保溫可節(jié)省室內凈高，應用在管道保溫上可有效地減少保溫占用空間，且便于管線綜合排布。

3.3 氣凝膠涂料

氣凝膠保溫中涂層是將具有極佳隔熱性能的氣凝膠粉體作為填料加入水性涂料內，使厚質涂層具有高效保溫性能，導熱系數(shù)介于0.026～0.030 W/（m·K）之間。材料不含揮發(fā)性有害化合物，生產(chǎn)工藝流程及使用過程安全環(huán)保無毒。氣凝膠涂料具備良好的隔音降噪功能，還搭配水性熱反射材料和水性防水材料，形成完整的保溫隔熱或保溫隔熱防水的功能。氣凝膠涂料的建筑防火等級為A2級，高于傳統(tǒng)保溫材料。此外，氣凝膠涂料的抗裂性與自潔性非常好，可避免熱脹冷縮導致保溫材料及外飾面的開裂甚至脫落。

3.4 氣凝膠玻璃

氣凝膠材料含有納米骨架組成的三維空間納米網(wǎng)絡結構，具有密度低、孔隙率高、熱導率低、折射率低和透過率高的優(yōu)異性能[3-6]，已成為建筑玻璃復合材料的理想選擇[7]。氣凝膠玻璃通過創(chuàng)新引入新型透明氣凝膠核心材料，并融合了中空玻璃、真空玻璃技術。氣凝膠玻璃因其低導電性、低密度、高效隔音、高隔熱性和高透光性，越來越引起人們的關注[8-10]。

Cotana等人將氣凝膠玻璃與普通中空玻璃的保溫性能在一間16m2的房屋中進行了對比，結果顯示使用氣凝膠玻璃可節(jié)約冬季取暖能耗50%以上[11]。

氣凝膠玻璃的保溫效果穩(wěn)定，不易受玻璃密封效果及安裝方式的影響。由于氣凝膠為防火等級A1級，能極大延緩火災中第2片玻璃破壞時間，提高玻璃防火減災能力。氣凝膠屬于高應變速率強化材料，在爆炸中可以減弱沖擊波，減小玻璃造成的二次損傷災害。此外氣凝膠具有較好的彈性變形能力，提升了窗戶的抗風壓性能，可將玻璃做的更大。采光氣凝膠玻璃可以太陽直射光漫散射化，一方面消除眩光，另一方面改善室內光場均勻分布滿足人眼正常的亮度值。另外，使用氣凝膠玻璃還可以融合陶瓷彩釉技術或融合智能玻璃（電致變色、電加熱玻璃、顯示屏等）技術，獲得建筑立面的美學效果和智能控制效果。

3.5 電致變色玻璃

電致變色玻璃能在沒有遮陽設備或百葉窗的情況下控制日照，它顏色豐富，玻璃可變透明、藍色、綠色、灰色等。定制的光分區(qū)策略可以使用動態(tài)控制來跟蹤太陽的移動，讓使用者在舒適的采光和陰影之間找到平衡。配合移動應用來調整色彩區(qū)域，可以在建筑物的任何地方為特定燈光效果保存預先設定的場景設置。電致變色玻璃還可以與樓宇自動化系統(tǒng)無縫集成來進行著色和清理。

3.6 雙穩(wěn)態(tài)智能調光玻璃

雙穩(wěn)態(tài)智能調光玻璃可以實現(xiàn)玻璃在霧態(tài)及透明態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)保持，且無需持續(xù)通電，只需微小電流觸發(fā)即可以毫秒級的速度在透明態(tài)與遮蔽態(tài)之間切換，可通過（太陽能充電）電池操作，免去安裝電路布線等的需求與費用。

4 示范屋能耗計算

4.1 示范屋及基準建筑圍護結構熱工性能

該項目及基準建筑非透明圍護結構熱工設計參數(shù)如表1對比所示。根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中要求，基準建筑圍護結構熱工性能應符合國家標準《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015的規(guī)定。

示范屋及基準建筑窗戶的性能指標如表2所示。

4.2 示范屋及基準建筑的耗熱量需求

根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中的規(guī)定，為了保證冬季室內溫度≥20℃的環(huán)境目標，利用德國被動房研究所開發(fā)的建筑能耗模擬軟件PHPP對示范屋進行建筑能耗模擬后的結果顯示，示范項目年供暖耗熱量需求56〔kWh/（m2·a）〕。建筑得熱共計約52〔kWh/（m2·a）〕，建筑熱損失與得熱的差值即為建筑本身年供暖耗熱量需求。其中，通過各圍護結構散失的熱量共約108〔kWh/（m2·a）〕，示范屋及基準建筑通過各圍欄結構散失的熱量如圖2所示。

4.3 示范屋建筑本體節(jié)能率（不包含可再生能源發(fā)電量）計算

根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中的規(guī)定，建筑的本體節(jié)能率不包括可再生能源，并且涵蓋了建筑物內的主要用能設備能耗，包括供暖、通風、空調、照明、生活熱水及電梯能耗，全面地反映了建筑用能設備產(chǎn)生的能耗。

示范屋中供暖及供冷均采用空氣源熱泵。冬季供暖能耗需求為1 5 853kWh，熱泵供暖耗電量為8 927kWh，夏季供冷能耗為5 619kWh，熱泵耗電量為2 444kWh。結合《近零能耗建筑技術標準》及建筑設計文件得出示范屋的不含可再生能源發(fā)電量的建筑能耗綜合值如表3所示。

根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》及《公共建筑節(jié)能設計標準》中對基準建筑的要求，基準建筑熱源為燃煤鍋爐，冷源為電制冷機組。由PHPP對基準建筑進行建筑能耗模擬后的結果顯示，基準建筑的建筑能耗綜合值如表4所示。

則根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中計算建筑本體節(jié)能率的方法得出示范屋的建筑本體節(jié)能率為51%。

4.4 示范屋建筑綜合節(jié)能率（包含可再生能源發(fā)電量）

《近零能耗建筑技術標準》中還對建筑的綜合節(jié)能率做出了要求，建筑的綜合節(jié)能率不光表現(xiàn)了建筑本身的用能能效，還考慮了了可再生能源對建筑能耗的影響。

示范屋中光伏瓦及光伏光熱一體化每年的發(fā)電量為16 798kWh，則根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中計算方法可得示范屋包含可再生能源發(fā)電量的建筑能耗綜合值為-11〔kWh/（m2·a）〕，進一步可得示范屋的建筑綜合節(jié)能率為103%，建筑能耗綜合值為負值且建筑綜合節(jié)能率超過100%表示范屋光伏發(fā)電量高于建筑本身用于供暖、供冷、照明、生活用水及電梯所需用電量。

4.5 示范屋可再生能源利用率

圖3所示為PHPP中計算出的1—12月光伏瓦及光伏光熱一體化的發(fā)電量。二者年發(fā)電量總和為16 798kWh。

圖4所示為PHPP中導出的1—12月生活熱水需求量及光伏光熱一體化熱水的供給情況。光伏光熱一體化年供給熱水總量為2 278kWh，約占示范建筑年生活熱水能耗需求的55%。

則根據(jù)《近零能耗建筑技術標準》中求可再生能源利用率的公式，可求得示范屋的可再生能源利用率為168%。

4.6 示范屋各能效指標的達標情況

通過表5中示范建筑與《近零能耗建筑技術標準》中對近零能耗建筑的規(guī)定的對比發(fā)現(xiàn)，示范屋完全達到了近零能耗建筑的要求。

5 結語

通過對使用了大量氣凝膠保溫材料及可再生能源技術的示范屋的能耗模擬發(fā)現(xiàn)，得益于氣凝膠保溫材料優(yōu)異的保溫性能及空氣源熱泵、光伏瓦和光伏光熱一體化對可再生能源的利用，示范項目達到了《近零能耗建筑技術標準》中對近零能耗非居住建筑的要求。

將氣凝膠優(yōu)越的導熱系數(shù)、力學性能、防火性能、防水性能、光學性能及消音降噪能力融合到建筑保溫材料上，是對傳統(tǒng)保溫材料的升級，也符合目前綠色建筑、超低能耗建筑的趨勢及碳達峰的目標。但由于目前氣凝膠類產(chǎn)品造價相比于傳統(tǒng)保溫材料偏高，且生產(chǎn)廠家較少，導致其市場應用并不是很廣泛。因此要實現(xiàn)氣凝膠在建筑節(jié)能領域的規(guī)模化應用，應著重解決氣凝膠的快速制備及低成本的常壓干燥，提高其經(jīng)濟性。隨著未來產(chǎn)能的提升及國民經(jīng)濟的發(fā)展，推廣速度有望加快，前景廣闊。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.014

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