氣凝膠保溫材料在超低能耗建筑中的應(yīng)用與性能分析

1前言

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，建筑能耗控制成為提升能源利用效率的重要方向，超低能耗建筑由此得到快速發(fā)展。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能是決定其能效水平的關(guān)鍵因素。氣凝膠作為新型納米保溫材料，以其極低導(dǎo)熱性和良好環(huán)保性受到廣泛關(guān)注。本文圍繞氣凝膠在超低能耗建筑中的應(yīng)用展開(kāi)研究，結(jié)合性能測(cè)試與工程實(shí)踐，探討其適用性與節(jié)能潛力，為其工程化推廣提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

2氣凝膠保溫材料概述

氣凝膠保溫材料是一種由納米級(jí)粒子構(gòu)成的高孔隙率固體材料，具有極低的熱導(dǎo)率和優(yōu)異的隔熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)可低至 0.012W/（m?K） ，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的聚苯乙烯、巖棉等保溫材料。在超低能耗建筑中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對(duì)整體能耗控制起著決定性作用，而氣凝膠憑借其輕質(zhì)、阻燃、憎水、耐候等多重優(yōu)勢(shì)，能夠在保證保溫性能的同時(shí)有效減小材料厚度，提高空間利用率。目前，氣凝膠材料主要以氈、板、顆粒等形式應(yīng)用于建筑外墻、屋面、地面、門(mén)窗縫隙等部位，有效解決了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)保溫難、熱橋控制弱等問(wèn)題。隨著制備技術(shù)的進(jìn)步和成本逐步下降，氣凝膠在超低能耗建筑中的應(yīng)用正由示范工程向規(guī)?；茝V轉(zhuǎn)變，成為推動(dòng)建筑節(jié)能提效、實(shí)現(xiàn)綠色基金項(xiàng)目：本文系甘肅省高校教師創(chuàng)新低碳自標(biāo)的重要新型材料。

3氣凝膠保溫材料基本性能

3.1氣凝膠的熱性能

氣凝膠材料以其超低熱導(dǎo)率在建筑節(jié)能中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，硅酸鹽氣凝膠的熱導(dǎo)率通常在 0.012W/（m?K）～0.018W/（m?K） 之間，相比傳統(tǒng)聚苯乙烯（約 0.035W/（m?K） 降低了近 50% 。依據(jù)熱傳導(dǎo)定律，單位面積單位時(shí)間的熱流密度公式為：

其中 λ 為熱導(dǎo)率 為溫度梯度。在外墻溫差為20% 、氣凝膠保溫層厚度為 50mm 的條件下，熱流密度計(jì)算為：

這一數(shù)值顯著低于傳統(tǒng)保溫材料對(duì)應(yīng)參數(shù)，表明氣凝膠能有效阻隔熱傳導(dǎo)。氣凝膠內(nèi)部納米孔隙結(jié)構(gòu)能夠抑制熱輻射和微對(duì)流，使得其整體熱傳遞機(jī)理更加穩(wěn)定，進(jìn)一步確保了超低能耗建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能達(dá)標(biāo)。

3.2氣凝膠的力學(xué)性能

氣凝膠材料因其高度孔隙化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)低密度和脆性特征，常規(guī)硅基氣凝膠的抗壓強(qiáng)度一般僅為 0.1MPa～ 0.5MPa ，其應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系公式：

其中彈性模量E通常低于 10MPa 。在標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)中，通過(guò)公式：

計(jì)算得知，當(dāng)施加負(fù)荷使局部應(yīng)力達(dá)到約 0.3MPa 時(shí)，純氣凝膠樣品便開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋，表明其在集中載荷作用下存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)引人纖維或采用復(fù)合材料工藝，氣凝膠的抗壓強(qiáng)度可提高至1MPa 以上，同時(shí)改善抗彎和抗沖擊性能，從而滿(mǎn)足超低能耗建筑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)安全性的要求。

3.3氣凝膠的環(huán)保性與可持續(xù)性

氣凝膠材料在環(huán)保性與可持續(xù)性方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在原材料綠色環(huán)保、生產(chǎn)過(guò)程低污染以及使用周期長(zhǎng)等方面。以硅基氣凝膠為例，其主要成分為硅溶膠或水玻璃，無(wú)毒無(wú)害，不含氟利昂等破壞臭氧層的成分，在制備過(guò)程中可通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)結(jié)合常壓干燥技術(shù)，大幅降低有機(jī)溶劑使用量，減少VOCs排放。使用階段，氣凝膠憑借其超低導(dǎo)熱性能可顯著降低建筑采暖和制冷能耗，根據(jù)實(shí)際能耗模擬，一棟外墻使用氣凝膠保溫層的被動(dòng)式住宅年能耗可降低 30% 以上，間接減少二氧化碳排放。氣凝膠具備優(yōu)異的耐老化性能，其服役壽命可達(dá)25年以上，減少更換頻率和建筑垃圾生成。部分產(chǎn)品采用可再生材料或回收玻璃制備，提升了資源利用效率，符合綠色建筑材料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的“資源節(jié)約\"和“環(huán)境友好\"要求，是實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期低碳化目標(biāo)的重要支撐材料。

4實(shí)驗(yàn)研究

4.1測(cè)試方法與實(shí)驗(yàn)方案

為系統(tǒng)評(píng)估氣凝膠保溫材料在超低能耗建筑中的性能表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究選取硅基氣凝膠氈作為測(cè)試對(duì)象，圍繞熱導(dǎo)率、壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)濕系數(shù)和憎水性四項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，采用標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法以確保數(shù)據(jù)的科學(xué)性與可比性。熱導(dǎo)率測(cè)試采用穩(wěn)態(tài)平板熱流計(jì)法（依據(jù)GB/T10294-2008），在不同溫差和厚度條件下測(cè)定材料的熱傳導(dǎo)性能；壓縮強(qiáng)度測(cè)試采用GB/T8813-2008標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載；導(dǎo)濕系數(shù)測(cè)試參照GB/T17147-1997，評(píng)估材料的透濕性對(duì)保溫性能的影響；憎水性測(cè)試采用靜態(tài)接觸角法，并結(jié)合吸水率測(cè)定判斷其防潮能力。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件均在恒溫恒濕環(huán)境下進(jìn)行，以模擬建筑實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，具體試驗(yàn)項(xiàng)目與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

4.2結(jié)果分析與討論

從熱工性能角度，重點(diǎn)考察其在不同厚度和溫差條件下的導(dǎo)熱穩(wěn)定性；從結(jié)構(gòu)安全性角度，分析材料在受力狀態(tài)下的變形能力和抗壓極限；從耐久與防潮方面，關(guān)注其透濕阻力與抗水性能對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的影響。為了清晰展示各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，整理后的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2所列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，氣凝膠保溫材料在熱工性能方面表現(xiàn)突出，其熱導(dǎo)率穩(wěn)定在0.012W/ （m?K）～ 0.018W/（m?K） 之間，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)保溫材料（如巖棉約 0.035W/（m?K） ），說(shuō)明其具備顯著的隔熱優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失。在力學(xué)性能方面，氣凝膠的抗壓強(qiáng)度處于 0.3MPa～0.5MPa ，雖不及硬質(zhì)保溫板材，但對(duì)于非承重保溫系統(tǒng)已基本滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，尤其適用于復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)和外墻保溫層的柔性鋪設(shè)需求。導(dǎo)濕系數(shù)測(cè)試結(jié)果在 50g/m²?d～70g/m²?d 之間，表明其具有良好的防潮性能，可在高濕度環(huán)境中保持熱性能不衰減，有利于延長(zhǎng)建筑保溫系統(tǒng)的服役周期。靜態(tài)接觸角達(dá)到 105^° 至 120^° ，進(jìn)一步印證了材料的憎水特性，能夠有效防止雨水滲透和內(nèi)部冷凝，減少熱橋效應(yīng)。

5超低能耗建筑應(yīng)用

5.1外墻保溫系統(tǒng)應(yīng)用

氣凝膠保溫材料憑借極低的導(dǎo)熱系數(shù)（ （0.012W/m ：K～0.018W/m?K ）和優(yōu)異的憎水性，在外墻保溫系統(tǒng)中表現(xiàn)出突出的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠氈或復(fù)合板可在更薄厚度下實(shí)現(xiàn)更高熱阻，適用于對(duì)空間利用率要求較高的被動(dòng)式住宅和公共建筑。在具體應(yīng)用中，氣凝膠常作為內(nèi)嵌層復(fù)合于保溫裝飾一體化板中，或通過(guò)干掛系統(tǒng)安裝于建筑外墻基面，有效控制熱橋并減少節(jié)點(diǎn)傳熱。工程實(shí)踐表明，采用氣凝膠保溫系統(tǒng)的外墻傳熱系數(shù)可控制在 0.15W/（m²?K） 以下，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)良的耐候性和尺寸穩(wěn)定性使其在長(zhǎng)期暴露于高濕、高溫、紫外輻射環(huán)境下仍能保持性能不衰減，為建筑實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的熱環(huán)境控制提供了可靠保障4]。

5.2屋面與地面保溫系統(tǒng)應(yīng)用

在屋面應(yīng)用中，氣凝膠氈可作為防水層下的保溫層，與卷材或剛性防水層復(fù)合使用，不僅有效控制屋面熱損失，還能因其憎水性和耐紫外性能增強(qiáng)系統(tǒng)整體耐久性。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用 25mm 厚氣凝膠氈的屋面系統(tǒng)，其傳熱系數(shù)可控制在 0.2W/（m²?K） 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)超低能耗建筑技術(shù)指標(biāo)要求。在地面保溫方面，氣凝膠復(fù)合板通常鋪設(shè)于墊層與結(jié)構(gòu)層之間，既起到熱阻隔作用，又具備良好的抗壓性能，適應(yīng)地面荷載分布。在有地暖系統(tǒng)的建筑中，氣凝膠材料可有效減少熱量向下傳導(dǎo)，提高地暖系統(tǒng)效率。

5.3門(mén)窗及結(jié)構(gòu)縫隙處理應(yīng)用

氣凝膠材料由于其柔性、可裁剪性以及極低導(dǎo)熱系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于門(mén)窗框與墻體之間的連接縫、預(yù)埋管道縫隙、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)交界處等難以處理的部位。在門(mén)窗安裝過(guò)程中，利用氣凝膠條或顆粒填充窗框四周縫隙，可有效降低冷橋效應(yīng)，使該部位的線(xiàn)性熱傳導(dǎo)系數(shù)顯著下降，傳熱損失減少 20% 以上。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中存在的施工縫、預(yù)留孔等位置，傳統(tǒng)泡沫材料在氣密性和耐久性方面存在不足，而氣凝膠復(fù)合墊材則具備更穩(wěn)定的物理性能，能長(zhǎng)期保持形變小、密封性強(qiáng)的特點(diǎn)，確保結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在高溫差環(huán)境下不發(fā)生熱能泄露。部分廠商已推出專(zhuān)用于門(mén)窗系統(tǒng)的氣凝膠保溫密封產(chǎn)品，與高性能玻璃和多腔體窗框配合使用，使整窗傳熱系數(shù)降低至0.8W/（m²?K） 以下，可有力支撐超低能耗建筑門(mén)窗系統(tǒng)的節(jié)能達(dá)標(biāo)與氣密性能提升。

5.4實(shí)際工程案例分析

本次選取了河北省廊坊市某被動(dòng)式超低能耗住宅示范工程為例，該項(xiàng)目建筑面積約4200平方米，外墻、屋面及門(mén)窗縫隙均采用氣凝膠保溫材料進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。外墻采用厚度為 20mm 的氣凝膠復(fù)合保溫板，屋面鋪設(shè)25mm 氣凝膠氈層，門(mén)窗縫隙采用氣凝膠柔性條進(jìn)行填縫密封。通過(guò)能耗模擬及實(shí)際運(yùn)行對(duì)比，項(xiàng)目在冬季采暖期的單位面積能耗為 18.5kWh/（m²?a） ，較同期相似結(jié)構(gòu)但使用傳統(tǒng)巖棉保溫材料的住宅（能耗約為 35.2kWh/（m²?a）） 下降了 47.4% 。此外，紅外熱成像檢測(cè)表明該項(xiàng)目外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋明顯減少，熱流密度分布更為均勻。以下為采用不同保溫材料的能耗與熱工性能對(duì)比情況（見(jiàn)表3）：

6結(jié)論

氣凝膠保溫材料憑借其優(yōu)異的熱工性能、力學(xué)適應(yīng)性與環(huán)?？沙掷m(xù)特性，在超低能耗建筑圍護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用展現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，實(shí)際工程案例進(jìn)一步驗(yàn)證了其在不同構(gòu)造部位的適用性與綜合效益。未來(lái)應(yīng)加快高性能復(fù)合氣凝膠產(chǎn)品的工程化開(kāi)發(fā)，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)其在更廣泛的建筑類(lèi)型中規(guī)?；瘧?yīng)用，為實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]曹勇，吳思琦，肖敏杰，等.寒冷地區(qū)超低能耗建筑動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算方法研究[J].建筑技術(shù)，2025，56（05）：593-598.

[2]曾春燕，張金成，孫潮，等.無(wú)機(jī)絕熱保溫材料的高溫性能檢測(cè)結(jié)果分析[J].中國(guó)建材科技，2025，34（01）：62-64+71.

[3]常玉婷.超低能耗建筑技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].林業(yè)科技情報(bào)，2025，57（01）：182-184.

[4]李玥婧，孫燁瑤，謝雷.超低能耗建筑的增量成本與經(jīng)濟(jì)效益分析[J]工程造價(jià)管理，2025，36（01）：45-51.

[5]時(shí)國(guó)華，高宇琪，趙岳天，等.氣凝膠材料外保溫超低能耗建筑節(jié)能模擬[J].建筑節(jié)能（中英文），2025，53（01）：38-43.

[6]韓榮榮，彭戰(zhàn)軍，王天賦.納米SiO2氣凝膠在低碳建筑中的應(yīng)用與展望[J].廣東化工，2024，51（23）：79-81.

[7]郜建松，張向農(nóng)，李曉睿，等.納米氣凝膠氈/常規(guī)保溫材料異質(zhì)復(fù)合保溫管殼技術(shù)的研究[J].化工設(shè)備與管道，2024，61（06）：81-86.