超低能耗建筑中的关键材料与技术

张光磊 郝 宁 赵士永

1石家庄铁道大学材料科学与工程学院（050043） 2 河北省建筑科学研究院有限公司（050021）

近年来，随着我国社会经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，建筑行业发展迅速，但随之也带来了传统能源紧缺、环境破坏问题严重等这些与人类生存有紧密关系的一系列问题。 因此，在不可再生能源日益匮乏、 环境问题亟需解决的今天，建筑行业作为一个能源损耗量极大的行业，我国开始了极力推广超低能耗建筑的政策，建筑方面的科研人员抓紧聚焦于研究超低能耗建筑中的关键材料与建筑技术方面的研发和大规模实际应用。超低能耗建筑在有效降低了能源的消耗的同时还充分适应当地的气候特征和当下的自然条件，为人们提供舒适的室内环境，并且缓解了温室效应、雾霾加剧等这些与人们息息相关的环境问题，与现如今新时代的建筑方针相契合。并且对于推进生态文明建设、改善人居环境、促进经济转型升级、推动建筑业持续健康发展有着重大意义[1]。 超低能耗中的关键材料与建筑技术已成为目前的研究热点。

1 超低能耗建筑中的关键材料

一般来说，超低能耗建筑中的材料就是指维持建筑物日常使用过程中应用的可以达到能源消耗比较低的效果的建筑材料[2]，即在减少能源消耗的同时也需要达到建筑内部所要达到的温度的材料。一般都是通过改变材料自身的特性来达到建筑节能的目的，既减少能源消耗又达到建筑所需性能的材料。其中，在节能建筑、绿色建筑、生态建筑、超低能耗建筑中得到广泛应用的相变材料，就在超低能耗建筑中取得了显著的效果，还有对保温隔热性能起着至关重要作用的新型墙体保温材料等都是超低能耗建筑中的关键材料。其意义在于一方面满足了建筑空间的热环境的要求，另一方面又实现了节约能源的目标[3]。

1.1 新型墙体保温材料

墙体保温材料对围护结构的保温隔热性能要求有着重要作用， 材料的选择将会直接影响建筑的低能耗和保温隔热性能的要求。 墙体保温材料通常可分为有机类和无机类两大类， 其中常见的有机保温材料有挤塑聚苯乙烯泡沫板[4]和聚氨酯[5]等，广泛应用于超低能耗建筑中； 常见的无机保温材料有膨胀珍珠岩[6]和岩棉[7]等，具有强耐久性、施工方便和环保可再利用等优点，但其保温性相较于有机保温材料较差。

目前，为了能够充分的发挥保温材料的性能，节约建筑成本，节省原料的使用及更高效的达到建筑节能的要求，研究出了一些新型的保温材料，并应用于各种低能耗建筑中。 复合型硅酸盐保温材料是一种新型的高效保温材料，是由镁、铝、硅酸盐等反应复合而制成的，不仅具有较低的导热系数，并且还能够承受700 ℃以上的高温， 在施工过程中可任意剪裁[7]，施工方便，如今在建筑工程中已广泛应用；改性酚醛保温板保温性能很好， 并且它自身的化学性能稳定，耐久性强[8]，可广泛应用于各种节能建筑中；STP 超薄真空保温板有着优异的保温和阻燃性能，导热系数非常低，但是材料内部为真空，如果材料出现破损时就会迅速导致保温隔热性能变差[9]，并且成本高，施工复杂，目前该种材料在建筑的实际应用中有一定的限制。

墙体的保温性能对低能耗建筑有着重要影响，而墙体保温材料是建筑过程中的基础，目前已广泛应用的保温材料还是以有机保温材料为主。 但随着进一步的实用型研究，一些新型的保温材料也会逐渐在超低能耗建筑中得到广泛的使用，以达到降低成本，大幅提高节能和保温性能的目标。

1.2 相变材料

相变材料近年来受到了建筑行业的推崇，在生态节能、低能耗建筑中得到了广泛应用。物质的存在通常有三种形态，物质从一种状态转变到另一种状态叫相变，而在这相变过程中来蓄热的蓄热介质就是我们现如今常称的相变材料[10]。

通过向普通建筑材料中加入相变材料，可以制成具有较高热容的轻质建筑材料，以此来应用到建筑工程中。 相变材料按照材料成分通常可分为无机类、有机类和复合储热类材料三大类。 按照相变类型则主要分为固-固相变、固-液相变、固-气相变、液-气相变四类材料，其中应用最多的为固-固相变材料，层状钙钛矿类相变材料就是应用于建筑工程中的一种固-固相变材料[11]。 按照储能方式又可以分为显热储能类、潜热储能类和化学反应储能类三类材料，而潜热储能类相变材料就是利用材料的相变潜热来储热，在储热过程中可以较容易地实现室温的定温控制，因此特别适用于建筑保温节能领域中[12]，并且储热的装置简单，易于操作。 这些类相变材料在建筑使用过程中均具有体积稳定、导热性能优异并且安全节能，成本低的特点[13]。

为了得到更加具有优异的性能及节能效果显著并且生产简便成本低可以大范围使用的新型相变材料，研究人员也一直在研究改进之中。 研究人员以癸酸和月桂酸的低共熔物作为相变材料，普通石膏板为建筑基材研制出了最佳的相变储能墙板[14]，贴合性能好，保温性能优异，具有很好的节能效果。 Ahmad 等人[15]研制出了目前应用在建筑技术中的含有聚乙二醇-600 的聚氯乙烯石膏板相变墙体，在被动式建筑中将微胶囊相变材料直接与混凝土掺杂，或将相变材料封装在内墙板、地板、天花板等普通建材内用于储能节能应用[16]。

2 超低能耗建筑中的关键技术

超低能耗建筑技术是指在围护结构、能源和设备系统、智能控制、可再生能源利用等方面综合选用各项节能技术， 利用高效保温隔热技术材料，能耗水平远低于常规建筑的建筑物，是一种不用或者尽量少用一次能源， 而使用可再生能源的建筑物。超低能耗建筑中除了需要用最基本的可以达到超低能耗的材料以外，还需要运用技术来使用这些材料从而达到节能目的。

2.1 建筑外墙保温技术

外墙保温技术按照外墙和保温材料的对应关系主要可以分为外墙内保温、外墙夹心保温和外墙外保温三类[17]。

1）外墙内保温就是将保温材料粘贴在外墙内侧，方法简单，施工难度低，经济实惠，升降温所需时间短，但缺点是装修时容易破坏保温层，占用室内空间。

2）外墙夹心保温是用混凝土砌成内外两侧墙，中间层为填充保温材料， 具有防水耐久的特点，对保温材料要求不高， 对季节和施工条件要求低，但墙体偏厚，构造较传统墙体复杂，外侧墙体受室外气候影响大，稳定性较差。

3）外墙外保温是将保温材料粘贴在外墙外侧，不占用室内空间，减少热桥，隔热效果好，但对保温材料的防水性、防火性等的要求较高。

目前大多数超低能耗建筑技术中的外墙保温通常选择外墙外保温技术和外墙夹心保温技术这两种技术,技术比较成熟，应用广泛，节能保温效果优异。

2.2 相变节能技术

相变材料在低能耗建筑和建筑设备中包括相变围护结构[18]、相变储能供暖空调系统、太阳能光伏光热相变储能与热管理系统、建筑余热、废热相变回收系统等[19]。

相变储热墙体建筑技术将会阻断室内外建筑结构的热传导，防止室内的热量扩散到室外，使室内达到所需温度， 以此产生显著的建筑节能效果。Voelker 等人[20]为了墙体结构简便轻质，将相变材料加入石膏板中制成相变墙体。 Lee 等人[21]为了改善已建建筑墙体的蓄热能力，提出了在绝缘层的制造过程中直接将相变材料与绝缘材料混合在一起，在纤维素为载体的情况下将材料附着在墙体上。

相变储能屋顶建筑技术将会减少屋内热量损失，改善建筑屋面的蓄热能力，达到节能效果。Yoon等人[22]将含有相变材料的聚氨酯基膜用于屋面节能，其结构如图1 所示。 将相变材料夹在聚氨酯膜和石棉层之间，三者的联合作用可以更加提高相变材料的储热能力，达到更加高效和大幅度的节能效果。

相变储能地板建筑技术则为了提升地板的蓄热能力，减缓冬季地暖循环水温度降低的速度，保温的同时也大幅的节约了能源。 现如今冬季的取暖方式普遍用地热取暖， 即暖流从地板上扩散开来，因此Xia 等人[23]提出建立多层组合型的相变地板的结构， 利用相变材料的蓄热能力来参与相变的调节，以达到保温节能的目的，使房屋在冬季都达到适宜的温度效果，并且由于相变的储热而减少地暖能量的消耗，达到节能的目的。

图1 相变材料多层相变屋顶

这些相变材料在低能耗建筑相变过程中的建筑技术在较为简单方便施工的同时，将相变材料应用在整个建筑的各个方面，高效完美的达到了建筑节能低能耗的目的。

3 结语

建筑行业一直是传统的高能耗行业，但在当今全球变暖，不可再生能源储量危机的背景下，减少碳排放和减缓石化能源燃烧已成为全球共同的选择。 建筑行业及建筑方面科研人员必须要积极响应并加速落实我国节约能源、降低能耗的政策要求，聚焦超低能耗中的关键材料和技术，进行深入全面的研究，采用节能材料及节能工艺，提高建筑物的储热能力及建筑材料的合理有效利用率， 在高效能、低成本下达到节能减排的目标，将建筑节能行业向绿色节能的方向发展。