气凝胶材料在建筑节能工程中的应用

2021-04-24王末英湖北第二师范学院副教授

中国建筑装饰装修 2021年3期

王末英湖北第二师范学院副教授

气凝胶材料从20 世纪30 年代被发现以来，已经经历了较长时间的发展，该材料具有良好的保温隔热性能。由于该材料制作工艺十分烦琐，同时技术要求标准非常高，初期主要应用在航天航空、军工等领域。随着现代科学技术的不断发展，对气凝胶材料的研究取得了较大进展，使得气凝胶材料被更多地运用到设备保温及管道保温等方面。在我国社会经济快速发展的推动下，建筑行业在21 世纪发展迅猛，建筑能耗总值占据了我国社会能耗总值的25%，数字十分惊人，加强建筑技能工程的发展十分紧迫。现阶段，我国建筑行业中常用的墙体保温方式是外墙外保温，由于保温材料是放置在墙体外侧，对保温材料的防火性能要求非常高，寻找一个保温性能好、防火等级高的外墙保温材料，是当下建筑外保温行业必须重视的问题。气凝胶材料能够同时满足保温与防火两大要求，是当下建筑保温材料的良好替代品，具有很好的发展前景和研究价值。

1 气凝胶材料概述

气凝胶是一种由超微离子组合而成的固态材料，分为碳系、硫系及硅系等多种类型，常见的有二氧化硅气凝胶、碳气凝胶等[1]。相比较其他材料，气凝胶材料不仅粒径非常小、密度非常低，而且拥有高比表面积、高气孔率等特征。此外，气凝胶材料的微观网络骨架和间隙都达到了纳米级别。在20 世纪30 年代初期，美国科学家Steven S. Kistler 运用超临界干燥方法获得了二氧化硅气凝胶[2]。

由于气凝胶中包含规模庞大的小气孔，并且这些气孔的尺寸均处于纳米级别，导致气凝胶材料具有高孔隙率、高比表面积的特征，使气凝胶导热系数不足0.015 W/（m•K），仅为0.013 W/（m•K），比空气的导热系数低许多[3]。图1为不同保温材料的导热系数，从图1 可以看出，除了气凝胶材料，其余保温材料的导热系数均明显高于空气，说明气凝胶在保温隔热上有着非常大的优势，也正因为如此，当下大量研究人员依旧在深入研究气凝胶材料。

图1 不同保温材料的导热系数

2 气凝胶材料在建筑节能工程中的应用

现阶段，我国气凝胶在建筑领域的应用非常少见，对气凝胶研究的工作重点依旧在探索高附加值产品上，如航天航空、军工及医疗等。在国外研究工作中，从21世纪初期就开始进行了建筑领域的气凝胶材料研究。现阶段主要研究工作主要集中在气凝胶节能窗、气凝胶涂料及气凝胶新型板材等方面。

表1 主流气凝胶产品与传统墙体保温材料的性能对比

现阶段，我国能使用的气凝胶材料主要有气凝胶绝热毡、气凝胶颗粒及粉体等，这些气凝胶材料在工业管道、机器保温、冶金以及航天等领域有着较为广泛的应用[4]。表1 为当下主流气凝胶产品与传统墙体保温材料的性能对比情况。

2.1 气凝胶节能门窗

当下，气凝胶在建筑节能工程中的应用主要体现在节能门窗上。从当下建筑结构耗能构成来看，门窗的总耗能值达到了建筑总围护结构耗能量的30%～50%，其隔热保温节能性能非常差，直接影响整个建筑围护结构的节能效果[5]。此外，目前我国的门窗节能程度与国外许多国家相比较仍旧有限制的差距，在同等气候环境下，国外外窗单位能耗值仅为我国的40%左右，所以降低门窗能耗是提高建筑节能的重要举措。

气凝胶节能门窗拥有非常好的保温效果。通常，厚度25 mm 的双层玻璃的热传导系数为1.43 W/（m•K），但是相同厚度的气凝胶门窗的热传导系数仅为0.56 W/（m•K），并且能确保透光率在40%以上[6]。可见气凝胶节能门窗不仅拥有很好的隔热保温性，还具有良好的透光性，可以广泛使用到室内大型场所及泳池的采光屋顶上。

2.2 在房顶太阳能集热器上的运用

在国外许多国家，已经将气凝胶使用到房顶太阳能集热器上，主要体现在太阳能热水器及相关集热设施的保温上。通过气凝胶材料的应用，一方面提高了对太阳能的使用率，另一方面显著改善了太阳能与集热设施的实用程度。在太阳能的关键部件上运用气凝胶材料，如管路、储水箱等，其集热效率可以达到之前的2 倍，同时能避免热量流失。国外已设计出一款气凝胶真空集热器，在集热器的外表面填充了气凝胶材料，然而在填充过程中要控制好气凝胶材料的填充量，尽可能减小间隙，保证拥有良好的导热系数。