纳米气凝胶作为档案库房墙体保温材料的实践研究

张建明/上海市档案馆

1 档案馆隔热材料特点分析

档案馆建筑能耗最大的主要是采暖和制冷空调设备，约占总能耗的60%—70%。在采暖和制冷空调设备的耗能中，50%以上的能量又因围护结构传热而消耗。因此，在外围护结构上使用保温隔热材料是节约能源、提高建筑功能的一个重要举措。常用的隔热保温材料可分为无机保温材料和有机保温材料，无机保温材料分为膨胀珍珠岩、加气混凝土、岩棉、玻璃棉等，有机保温材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。无机材料有阻燃、耐腐蚀等特点，有机材料有良好的疏水性[1]。保温材料一般具有轻质、疏松、呈多孔状或纤维状的特性，能够使得空气在材料的空隙间不流通，确保温度流失缓慢。保温材料性能的优劣主要取决于材料的导热系数，导热系数越小，保温性能越好。

在档案馆使用的保温隔热材料，要求其具有阻燃、憎水、无毒性、无挥发性气味、强度高、质量轻、抗腐蚀等特性。相比较而言，常用的保温隔热材料都存在一些问题，比如泡沫塑料导热系数小、隔热保温效果好，但却极度易燃，上海“11·15”特大火灾就是因为这种保温材料易燃造成的；岩棉、玻璃棉等纤维状隔热保温材料能承受高温度，但容易吸取空气中的湿气；粉末材料阻燃，但导热系数大，容易吸取空气中的湿气并腐烂[2]。因此，研究节能和防火兼备、轻质环保的保温材料是当务之急[3]。气凝胶作为一种新的保温隔热材料，在国内主要应用于军工、航空航天等重要领域，民用还没有大规模展开，但随着军民融合的不断深入，势必会越来越多地应用于民用建筑中。在档案库房中应用气凝胶，具有重要意义。

2 气凝胶的特性分析和研究现状

气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料，密度仅为3.55kg/m3，被称为世界上最轻的固体。这种物质看上去像凝固的烟，非常柔弱，实则坚固耐用，最高能承受1000℃的高温。其最初应用于航空航天方面，俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用到了气凝胶材料。气凝胶的成分和玻璃一样，都是二氧化硅，但气凝胶99.8%都是空气，所以密度只有玻璃的千分之一。目前国外关于气凝胶材料的研究主要集中在德国的维尔茨堡大学、法国的蒙彼利埃材料研究中心、日本高能物理国家实验室、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室[4]。国内有同济大学、清华大学、国防科技大学等高校开展研究，特别是同济大学在1991年开始全面开展气凝胶的研制与应用工作，是国内研究最早、研究最广的单位。

3 档案库房墙体保温材料实践过程

3.1 实践场所的选取及前期准备工作

选取上海市闵行区档案保管中心的一间低温库房，开展气凝胶应用档案库房保温隔热的实践。库房位于保管中心大楼3层南面，南墙为建筑外墙，北、东、西墙为内墙，分别与走道和设备机房、电梯井相邻。房间东西向长7.8m，南北向宽7.2m，高度为3.4m。由于该房间主要存放影像资料，所需要的室内环境要求为常年保持14℃，与其他库房的环境要求差异较大。因此该房间由独立的空调通风系统来保证室内的温湿度要求。其中空调系统风量为7000m3/h，换气次数达到37次/h。库房所涉及的围护结构包括南向外墙、东西北向的内墙，以及分隔各层的楼板，外墙采用内外保温，材料为外侧40厚I型无机保温砂浆，内侧为30厚II型无机保温砂浆；内墙材料为200mm轻质砖+50mm珍珠岩水泥砂浆；楼板采用100mm混凝土+60mm混凝土找平。

本次实验选用的二氧化硅纳米保温毡（见图1），是一种由纳米二氧化硅气凝胶与无机纤维材料通过特殊工艺复合而成的毡状材料，复合后的毡状材料有一定柔性，可根据需要任意弯曲且不影响其保温、不燃、憎水等性能[5]。

3.2 工程实施过程[6]

一是墙体保温施工，保温毡按竖直方式铺贴，每幅竖缝挤紧拼接；铺贴或固定后，接缝处再次挤紧，毡的缝宽小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板条嵌缝密实。

二是除门窗洞口外，内保温同一层墙体保温毡不宜产生水平接缝。保温毡施工应在粘结砂浆干燥固化前施工，中途停顿或每天施工结束，墙面多余的粘结砂浆应清理干净。

三是保温毡粘贴方法要求：内保温采用满粘（粘贴面积不得少于保温毡面积的80%），混凝土屋面保温和楼地面保温采用条粘或点粘，建筑幕墙保温不粘贴，直接锚固件固定。

四是石膏板接缝与保温毡接缝内外错开，锚固件固定避开暗线管位置。内保温施工锚固件固定水平、竖直最小间距均不得大于500mm，锚固件离石膏板边缘间距不得大于80mm；幕墙保温施工锚固件固定水平、竖直间距均不得大于450mm，锚固件离防护面层边缘间距不得大于80mm，也可齐缝固定。

五是建筑幕墙保温毡施工，每幅铺贴长度控制在5—8m，遇主角码位置，割开保温毡嵌入，露出主角码，保温毡切开部位翻边用60mm宽铝箔胶带密闭处理，每边搭接不少于25mm，防止保温毡基材毛边或裸露。

六是保温毡接缝采用平缝挤紧拼接，水平接缝应逐行错缝；锚固后，接缝处再次挤紧，毡的缝宽应小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板条嵌缝密实；最后用60mm宽铝箔胶带沿缝中间贴上，每边搭接不少于25mm。

七是屋面保温毡铺设：粘结砂浆采用条粘或点粘，沿屋脊方向从一端开始向另一端拉线铺设，采用平缝挤紧拼接施工，竖缝应逐行错缝，缝宽应小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板条嵌缝密实。若分层铺设，其上下两层应错开。

八是楼地面与墙交接部位保温毡翻起100mm，踢脚线铺设时覆盖。若工程墙体内保温、楼地面保温均采用保温毡施工，楼地面与墙交接部位保温毡不宜断开。

九是严禁重物或尖物撞击墙面和门窗框，以免损伤破坏，对碰撞坏的墙面及门窗框应及时修复[7]。

3.3 实践的数据采集

在实际工况条件下，跟踪记录实验房间室内外温湿度的变化，以及由此产生的空调负荷。在充分进行现场示范工程调研的基础上，制定了示范工程的测试方案，方案综合考虑了现有监测系统以及自记型温湿度仪器的特点，实时记录测试期间通过围护结构传热引起的冷热负荷，空调系统承担的冷热负荷；通过在夏季1—2个月的实时运行数据采集，统计分析两者的热量平衡，以此模拟预测全年的空调负荷和相应的能耗。

3.3.1 环境监测系统测试布点方案（见图2）。在现有空调系统的自动控制平台上，增加关键部位的温湿度传感器，通过实时监测，记录实验工况下的温湿度数据。布点上主要考虑实验库房四周不同墙体内外侧的温度，空调系统供回风侧温湿度。对于墙体内外表面的壁面温度，采用铂电阻温度传感器嵌入墙体，内部用导热硅胶填充，表面磨平。

图1：实验场所采用的纳米二氧化硅保温毡

图2：实验场所传感器布置示意图

3.3.2 温湿度自记仪布置方案。现有的环境监测系统主要监测的是墙体壁面温度和空调系统内部温度，尚无法覆盖实验房间及其周边的空气温度，因此在监测系统的基础上，在房间内部和四周走道以及上下层空间内放置温湿度自记仪作为自动监测数据的补充，共同参与计算分析。

3.3.3 热平衡原理。利用热平衡方程，建立围护结构负荷与空调系统负荷的关系，以此论证气凝胶材料的节能效果；通过对1—2个月监测数据的统计，推算全年的节能效果。

其中室内热平衡基本公式如下：

围护结构传热在监测期形成的累计热负荷：

Q围护结构=∑KF（tout-tin）τ

由于库房只有两个内门与3层外间连接，因此需要考虑邻室渗透引起的冷负荷：

Q渗透=∑m（i外-i内）τ

空调系统在监测期间承担的累计热负荷：

Q空调系统=∑m（tin-t入口)τ

因此在实际工况下，只要记录过程中的温湿度情况，就可获得房间围护结构的传热系数，并与实际围护结构的实验室数据进行对比矫正。

从气象数据库中获取上海地区常年的室外气象参数，就可以获得理论条件下的室内冷热负荷，对比非内保温工况下的负荷值，便可以获得负荷节约量和对应的理论节能量。

本次现场数据采集实验在示范建筑的内保温工程、库房独立空调系统及其环境监测系统安装调试完成后进行，时间位于2017年夏末秋初，室外温度在20—30℃之间波动，连续记录日期为2017年9月7日至9月29日，共三周时间，数据采集周期为10分钟。室外空气温度基本在20—30℃范围变化，且总体上有逐日下降的趋势；2层与4层温度随着室外的气温变化也逐渐下降，在变化波动性方面更加稳定，且由于自然热压作用，4层温度总体高于2层。3层库房内的温度总体保持在18±1℃的范围内，基本满足了库房对温度的设定和变化范围的要求。另外3层库房内空气温度与相邻空间的温差基本在3℃以上。利用库内外空间空气温度的差值并结合空间隔断围护结构的传热系数，便可以计算围护结构的传热负荷，每个时间点的传热负荷可以定义为该时间点附近时间间隔内（本次监测时间间隔设定在10分钟）的传热量，利用累加的方法，便可以得到一段监测时间内累计的传热量。

室外空气相对湿度随着早晚气温的变化和阴晴状况变化波动明显，在45—95%的大范围区间内波动，相比之下室内各层的相对湿度变化范围较窄，其中3层库房的相对湿度在75%±5%的范围内波动，4层空气相对湿度在70%±5%的范围内波动，而2层空气相对湿度在80%±5%的范围内波动。

3.4 热平衡分析

按照热平衡原理和计算方法，分别计算空调系统进回风口的提供的冷热负荷，围护结构传热形成的冷负荷以及渗透因素形成的冷负荷，其热平衡关系为：

Q空调系统=Q围护结构＋Q渗透

进而得到：

∑空调出风－∑空调回风=∑外墙＋∑内墙＋∑楼板＋∑渗透

在上述平衡计算中，隐藏着唯一一个变量，就是内保温材料的实际导热系数修正αλ，利用热平衡关系，通过试算的方法，便可以求得αλ的值。该值是一个≥1的数值，越接近1说明内保温材料实际导热系数越接近实验室测试数据。

通过计算，保温毡的导热系数修正为1.048，非常接近实验室数据，由此说明示范工程的现场施工工艺可以有效地保障保温毡的保温效果。

3.5 全年节能效果分析

分析思路：利用上海市典型气象年的逐时气象数据，模拟库房空调全年的环境，从而分别计算有无保温毡条件下的空调负荷。另外假设独立空调系统全年平均COP为3.0，从而推算有无保温毡空调系统的耗电量，最终分析得到全年库房的节能量。

3.5.1 上海市典型气象年的逐时气象数据

本实践工程位于上海市闵行区档案保管中心，能耗模拟与对比分析所采用的库房室内温度设定在16℃，库房以外的其他区域设定在25℃。节能模拟计算分析采用的气象数据为专为上海地区进行能耗模拟计算的上海地区典型气象年逐时气温数据。典型气象年是由12个具有最接近历史平均值统计意义的典型月组成的“假想”气象年[8]。

3.5.2 档案馆库房室内温度的设定

根据档案馆室内环境参数的设计要求，能耗模拟与对比分析所采用的库房室内温度设定在16℃，库房以外的其他区域设定在25℃。

3.5.3 库房分时冷热负荷计算

根据库房及其周边空间的设计温度、室外典型气象年逐时温度、围护结构改造前后的传热系数，使用传热公式可以求得库房逐时冷热负荷。

3.5.4 全年耗电量对比与节电效果评价

对模拟工况下库房围护结构进行内保温节能改造前后全年耗电量进行累计和对比，其中假定低温空调系统的年平均COP为3.0。经计算，库房围护结构节能改造前全年累计的耗电量为14064.6kWh，改造后全年累计耗电量为7740.1kWh，节能率达45%。

4 结语

在基于实验获得的材料实际传热系数的基础上，结合上海市典型气象年逐时温度，模拟计算并对比分析了库房节能改造前后空调系统的耗电量及其相关电费；同时根据节能工程的初投资，计算了该节能隔热材料的静态投资回收期为16.94，因此投资回收期较长。这与该材料目前市场的成熟度、使用量不够，产品的生产规模效应尚没有释放有密切关系。待通过该材料量产后，市场价格由500元/m2降至230元/m2甚至更低的时候，投资回收期可控制在8年以内，从而获得较好的经济效益。