納米絕熱材料在綠色建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

1前言

在全球面臨氣候變化挑戰(zhàn)以及能源短缺的背景下，建筑行業(yè)的節(jié)能減排顯得尤為關(guān)鍵。綠色建筑作為一種可持續(xù)發(fā)展的理念，致力于降低建筑物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并提升能源使用效率。而納米隔熱材料作為一項(xiàng)新型高效節(jié)能技術(shù)，憑借其獨(dú)特的納米級(jí)結(jié)構(gòu)提供了極佳的隔熱效果，為綠色建筑的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的支持。

2納米絕熱材料概述

2.1納米絕熱材料的定義與原理

納米隔熱材料指的是那些內(nèi)部孔隙尺寸達(dá)到納米級(jí)別的高效隔熱物質(zhì)，其隔熱機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)極大地限制了空氣的對(duì)流換熱效果，由于空氣分子在這種微小空間內(nèi)難以形成有效的對(duì)流。（2）這類(lèi)材料中的納米顆粒對(duì)于熱輻射有顯著的散射和吸收能力，從而減少了熱量通過(guò)輻射形式的傳遞。（3）納米材料獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)干擾了聲子（即晶格振動(dòng)能量量子）的傳播路徑，降低了熱傳導(dǎo)效率。以氣凝膠納米隔熱材料為例，其內(nèi)部孔隙率可以高達(dá) 90% 以上，且多數(shù)孔隙尺寸位于數(shù)十納米范圍內(nèi)，這使得它的導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下低至大約 0.013W/（m?K） ，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的隔熱材料（圖1為納米隔熱材料的結(jié)構(gòu)）。

2.2納米絕熱材料的種類(lèi)

現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的納米隔熱材料主要涵蓋了納米氣凝膠、納米纖維隔熱材料以及納米微孔隔熱材料等類(lèi)型。納米氣凝膠是一種由納米級(jí)固體骨架與填充其間的氣體構(gòu)成的多孔物質(zhì)，以其極低的密度和導(dǎo)熱系數(shù)著稱(chēng)，是目前所知最佳的固態(tài)隔熱材料之一。納米纖維隔熱材料則以納米級(jí)纖維作為主要成分，通過(guò)特定工藝制備而成，具有優(yōu)異的隔熱性能，這些纖維直徑通常在數(shù)十至數(shù)百納米之間，纖維間的孔隙結(jié)構(gòu)亦有助于減少熱量傳輸。納米微孔隔熱材料內(nèi)部擁有大量納米級(jí)別的微孔，這類(lèi)微孔能夠有效地抑制熱量的傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射，從而實(shí)現(xiàn)高效的隔熱效果。

2.3納米絕熱材料的性能特點(diǎn)

（1這類(lèi)材料擁有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)，與傳統(tǒng)的絕熱材料如巖棉與玻璃棉相比，其導(dǎo)熱系數(shù)可以減少至原來(lái)的1/3到1/7，從而更加有效地阻礙熱量的傳導(dǎo)。（2）納米隔熱材料重量輕，便于運(yùn)輸與安裝，同時(shí)也能減輕對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，有助于降低建筑的整體費(fèi)用。（3）納米隔熱材料表現(xiàn)出優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性以及耐久性，在各種環(huán)境條件下都能維持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，并具有較長(zhǎng)的使用壽命，這減少了后續(xù)的維護(hù)以及更換的需求。

3納米絕熱材料在綠色建筑施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1在建筑外墻保溫中的應(yīng)用

建筑物的外墻是熱量傳輸?shù)年P(guān)鍵區(qū)域之一，納米隔熱材料的應(yīng)用在外墻保溫中能夠顯著增強(qiáng)保溫效能。如納米氣凝膠保溫板已廣泛應(yīng)用于外墻保溫系統(tǒng)中，這種材料即使在極薄的情況下也能提供傳統(tǒng)保溫材料數(shù)倍的保溫效果，從而有效減少建筑外墻的熱損失，降低冬季取暖與夏季制冷的能量消耗。在一些新建的綠色建筑項(xiàng)目里，使用納米氣凝膠保溫板作為外墻保溫材料后，建筑能耗顯著下降。根據(jù)實(shí)際工程案例的數(shù)據(jù)，采用納米氣凝膠保溫板的建筑外墻，其保溫性能較使用傳統(tǒng)聚苯乙烯泡沫板提高了超過(guò) 30% ，能源消耗則減少了 20% 至 30% 3（圖2為納米氣凝膠保溫板）。

3.2在建筑屋面保溫中的應(yīng)用

屋面作為建筑能耗的重要因素之一，納米隔熱材料在屋面保溫領(lǐng)域同樣表現(xiàn)出優(yōu)異性能。由納米微孔絕熱材料制成的隔熱卷材或板材可以直接鋪設(shè)于屋面防水層之上，構(gòu)建高效的隔熱屏障，這類(lèi)材料能有效抵御太陽(yáng)輻射帶來(lái)的熱量進(jìn)入室內(nèi)，降低室溫，減少空調(diào)及其他制冷設(shè)備的工作時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。在商業(yè)建筑和公共設(shè)施的屋面保溫工程中，采用納米隔熱材料后，屋面的隔熱效能顯著增強(qiáng)，夏季室內(nèi)溫度可下降3至5攝氏度，節(jié)能效果顯著。

3.3在建筑門(mén)窗節(jié)能中的應(yīng)用

由于建筑門(mén)窗是散熱較差的地方，因此，利用納米絕熱材料進(jìn)行門(mén)窗的節(jié)能設(shè)計(jì)具有重要意義。比如，在門(mén)窗玻璃表面采用納米隔熱涂料，可以防止紫外線、紅外線的滲透，降低室內(nèi)與室外的熱交換。納米絕熱材料中的納米顆粒可以對(duì)光和熱進(jìn)行散射和吸收，從而減小其換熱性能。在部分高檔環(huán)保建筑中應(yīng)用該材料，其保溫效果較常規(guī)門(mén)窗可提升 15%～20% ，在提升室內(nèi)熱舒適的前提下，減少空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。另外，采用該技術(shù)對(duì)門(mén)窗邊框進(jìn)行隔熱處理，使其具有更好的保溫性能。

3.4在建筑內(nèi)保溫中的應(yīng)用

在建筑內(nèi)部，采用了納米絕熱材料作為墻體、地板、天花板等隔熱材料。納米氣凝膠隔熱氈作為一種新型的絕熱材料，可以將其與內(nèi)部墻體進(jìn)行有效的復(fù)合，特別適用于某些已有建筑的節(jié)能改造。在地板隔熱上，將納米絕熱材料與地板采暖復(fù)合，以增加地板采暖的效率，降低地板上的熱量損失。在天花板內(nèi)保溫中，采用納米絕熱材料可以防止夏天的熱輸入和冬天的散熱，提高建筑內(nèi)部的溫度穩(wěn)定。已有研究表明，采用該材料對(duì)已建成的住宅進(jìn)行內(nèi)保溫，可使其冬天的室內(nèi)氣溫提升2-3度，能耗約為 15% 。

3.5實(shí)際應(yīng)用案例分析

以某綠色住宅區(qū)為例，該項(xiàng)目在建筑施工過(guò)程中廣泛采用了納米隔熱材料。具體而言，外墻選用了納米氣凝膠保溫板，屋面鋪設(shè)了納米微孔隔熱卷材，門(mén)窗玻璃則涂覆了納米隔熱涂料。經(jīng)過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)，該住宅區(qū)的建筑物能耗相比周邊未使用納米隔熱材料的建筑降低了約 25% ，室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定，居民的舒適度顯著提升。

4納米絕熱材料在綠色建筑施工中應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

4.1成本較高

由于納米絕熱材料制作過(guò)程繁瑣、原料昂貴，使得其生產(chǎn)的制品價(jià)格比常規(guī)隔熱材料要高。例如，自前的納米氣凝膠需要經(jīng)過(guò)一系列的溶膠-凝膠法和超臨界干燥法，存在著設(shè)備投入大、產(chǎn)能低下等問(wèn)題，導(dǎo)致其價(jià)格一直很高。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)前我國(guó)納米級(jí)的氣凝膠隔熱材料的售價(jià)與普通的聚苯乙烯泡沫保溫板價(jià)格對(duì)比如表1。

高昂的材料成本在一定程度上限制了納米絕熱材料在綠色建筑中的大規(guī)模應(yīng)用，尤其是對(duì)于一些對(duì)成本較為敏感的建筑項(xiàng)目，成為阻礙其推廣的重要因素。

4.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不完善

當(dāng)前，納米絕熱材料在綠色建筑領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。由于各制造企業(yè)所生產(chǎn)的納米絕熱材料在性能指標(biāo)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等各有差別，目前尚無(wú)一種通用的測(cè)試與評(píng)估手段。這給設(shè)計(jì)者與建設(shè)企業(yè)在選用、應(yīng)用上缺少清晰的標(biāo)準(zhǔn)，給工程的質(zhì)量管理帶來(lái)困難。表2是納米絕熱材料部分關(guān)鍵性能指標(biāo)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況說(shuō)明。

目前，我國(guó)尚無(wú)針對(duì)納米絕熱材料導(dǎo)熱性能、阻燃性能及耐久性等關(guān)鍵性能的檢測(cè)規(guī)范，致使目前市面上的納米隔熱材料品質(zhì)良莠不齊，嚴(yán)重制約了其品牌知名度與推廣。

4.3施工技術(shù)和工藝有待提高

由于納米絕熱材料制備方法及過(guò)程有別于常規(guī)隔熱材料，施工人員在此方面的建造經(jīng)驗(yàn)還比較欠缺，若操作不當(dāng)，極易造成板材脫落，保溫性能降低。另外，對(duì)于建筑工地中的納米隔熱材料的貯存與防護(hù)也提出了特別的需求。表3是納米氣凝膠保溫板施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及原因。

5納米絕熱材料在綠色建筑施工中的未來(lái)趨勢(shì)

5.1技術(shù)創(chuàng)新與成本降低

技術(shù)創(chuàng)新是驅(qū)動(dòng)納米絕熱材料進(jìn)步的關(guān)鍵，當(dāng)前研究人員正在積極研究新的制造工藝，例如改進(jìn)溶膠-凝膠技術(shù)、優(yōu)化超臨界干燥過(guò)程，以提高生產(chǎn)效率并減少成本。據(jù)相關(guān)研究表明，在未來(lái)五年內(nèi)，隨著這些技術(shù)的成熟，納米氣凝膠材料的生產(chǎn)成本有望降低 30%～50% ，同時(shí)新型納米纖維合成技術(shù)以及納米微孔材料制備工藝也在不斷創(chuàng)新，這將使納米絕熱材料的性能進(jìn)一步提升。在達(dá)到相同的保溫效果時(shí)，所需要的材料量預(yù)計(jì)可以減少 20%～30% ，從而間接降低成本。

5.2標(biāo)準(zhǔn)體系的完善

標(biāo)準(zhǔn)體系的健全對(duì)于納米絕熱材料的健康發(fā)展至關(guān)重要，目前國(guó)內(nèi)已啟動(dòng)多項(xiàng)針對(duì)納米絕熱材料的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，如《絕熱材料建筑用氣凝膠毯規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的啟動(dòng)，旨在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)建筑用氣凝膠材料領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白。預(yù)計(jì)在未來(lái)三到五年內(nèi)，將陸續(xù)發(fā)布涵蓋納米氣凝膠、納米纖維絕熱材料和納米微孔絕熱材料等各類(lèi)納米絕熱材料的性能指標(biāo)、質(zhì)量檢測(cè)方法、施工工藝及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面的統(tǒng)一規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)將明確納米絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)、防火性能、耐久性等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試方法和合格標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市場(chǎng)秩序，提高產(chǎn)品質(zhì)量。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將為建筑設(shè)計(jì)師和施工單位在選擇和使用納米絕熱材料時(shí)提供明確指導(dǎo)，增強(qiáng)市場(chǎng)對(duì)納米絕熱材料的信心，并促進(jìn)其在綠色建筑中的廣泛應(yīng)用。

5.3施工技術(shù)的發(fā)展與成熟

施工技術(shù)的提升是納米絕熱材料廣泛應(yīng)用的重要保障。針對(duì)納米絕熱材料特有的施工要求，行業(yè)正積極研發(fā)專(zhuān)門(mén)的施工工具與設(shè)備，如開(kāi)發(fā)高精度的納米氣凝膠保溫板粘貼裝置，可以提高施工效率和粘結(jié)精度，確保保溫板與基層之間的牢固連接。同時(shí)通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和建筑信息模型（BIM），能夠?qū){米絕熱材料的施工流程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提前識(shí)別并解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題。預(yù)計(jì)未來(lái)五到八年，施工人員對(duì)納米絕熱材料施工技術(shù)的掌握程度將顯著增強(qiáng)，施工質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生率有望降低超過(guò) 50% 。

6結(jié)論

納米絕熱材料憑借其卓越的性能，在綠色建筑施工中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前在應(yīng)用過(guò)程中面臨成本、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工實(shí)踐及市場(chǎng)認(rèn)知等方面的挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)的逐漸成熟，這些問(wèn)題會(huì)逐步得到解決。

參考文獻(xiàn)

[1]程瑞榮，邊立平，劉中川.淺析納米新型絕熱材料在電力行業(yè)的應(yīng)用[J].安裝，2024（S2）：177-179.

[2]王勝，車(chē)進(jìn).納米絕熱材料在綠色建筑施工中的應(yīng)用前景[J].建設(shè)科技，2024（21）：94-96.

[3]易派客納米微孔板標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為ISO標(biāo)準(zhǔn)[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2023（S2）：74.

[4]劉超，張潔，程小凱，等.二維納米成炭劑增強(qiáng)可噴涂聚氨酯基絕熱材料的耐燒蝕性能研究[J].固體火箭技術(shù)，2023，46（06）：947-954.

[5]郜建松，李玖重，周天宇，等.納米氣凝膠絕熱材料傳熱方程擬合及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì)，2023，40（04）：1-5.