建筑保温材料应用研究现状

陈依然

(江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

0 前 言

随着生活水平的提高，人们对室内环境热舒适的要求也越来越高，从而造成了建筑能耗的不断增长，特别是在发达国家其建筑能耗达到了40%左右，超过了交通和工业的能耗[1]。因此，建筑节能已经成为世界各国研究者关注的重要课题之一。

研究表明，对于高耗能建筑，70%以上的建筑能耗是由于围护结构的传热造成的[2]，因此，减少建筑围护结构的传热能耗对建筑能耗有着非常重要的作用。其中减少围护结构的传热能耗可以通过利用不同的保温材料对围护结构热工性能进行改变[3]。目前，大量的保温材料被商业化使用，保温材料通过其化学性质基本可分为无机和有机两类，本文主要针对以上两类材料对建筑的保温节能效果进行总结和回顾，以期对围护结构的节能设计提供帮助。

1 无机保温材料的特性

由于无机保温材料具有不易燃的特性，许多研究学者对无机保温材料展开研究，通常无机保温材料可分为纤维保温材料和泡沫保温材料。矿棉是一个涵盖各种无机纤维保温材料的总称，其中包括岩棉、玻璃棉和矿渣棉等，它们都由不同的原料制成[4]，如岩棉[5]是通过在1 600℃下熔化几种岩石(如白云岩、玄武岩和辉绿岩)来制造的，从而获得纤维，然后使用粘合剂将纤维粘合在一起，其热导率在0.033～0.046 W/(m·K)，密度在40～200 kg/m3，比热在0.8～1.0 kJ/(kg·K)，此外，它们虽然价格便宜，但是有研究表明，水蒸气的凝结会对建筑用岩棉材料的隔热性能产生负面影响。而玻璃棉[5]是在1 300℃～1 450℃的温度下将天然砂和玻璃混合而成，根据Villasmil等[6]的回顾，玻璃棉的热导率为0.030～0.046 W/(m·K)，与岩棉非常接近。无机泡沫保温材料有硅酸钙、珍珠岩和蛭石等，泡沫保温材料普遍具有较低的导热系数，这是由于高孔隙率降低了其机械强度并改善了其吸湿特性。Gao等[7]采用珍珠岩制备了新型泡沫保温材料，包括珍珠岩/硅酸钠、过氧化氢、十六烷基三甲基溴化铵和岩棉，这种新型泡沫保温材料比其他具有较低导热系数和较高机械强度的无机材料更轻。

与已广泛用于建筑中的矿棉等保温材料相比，还有气凝胶等保温材料正在研发中，它们的特点是具有非常低的热导率，对建筑节能的效果显著，气凝胶便是一种轻质、高保温材料[8]。Gao等[9]针对挪威奥斯陆的小型建筑，在围护结构中添加了气凝胶材料，结果表明，使用气凝胶板的建筑可降低21%的能耗。除气凝胶以外，真空保温板(VIP)也是当今市场上最有前途的高性能保温材料之一，其导热系数低至0.004 W/(m·K)[6]，齐娇等[10]模拟了用VIP板代替传统聚苯乙烯板材对建筑热性能的影响，结果表明，相比于传统保温板材，使用VIP的建筑年能耗减少了18.8%。但真空保温板并不易制作，为了防止空气渗透，需要薄膜进行封装。具体的无机保温材料热工参数见表1。

表1 无机保温材料的热工参数

虽然以上材料均可作为保温材料来使用，但均不具备承重能力，只可用于保温围护结构的装配系统中，对此人们采用可承重的保温材料进行研究，使建筑主体与围护结构保温隔热合二为一。Diao等[11]对可承重的保温材料的热工性能进行了理论计算和试验检测，结果表明，实心墙的承重、保温、隔热、隔声效果比较理想，且具有耐火和抗冻性，但是耗用黏土较多，破坏耕地，施工速度慢，劳动强度大，自重大，空心墙相比于实心砖具有重量轻，黏土用量少等优点，可节约砖量30%；但其承载能力弱，隔声效果亦不理想，材料检测结果见表2。

表2 材料试验检测结果[11]

综合以上文献可知，对于目前市面上广泛使用的无机保温材料通常具备稳定、成本低、无毒等特性，但与气凝胶和VIP等新型无机材料相比其节能性和保温性能不佳，其次气凝胶和VIP虽然具有良好的节能效果，但是由于其成本过高以及制作过程繁琐导致其至今并没有广泛被使用。

2 有机保温材料的特性

有机保温材料相比与无机保温材料具有更优良的保温性能以及保温形式的多样性。有研究学者[3]发现纤维素不仅可以作为填充式保温材料对各种空腔结构进行填充，也可以制成保温板来充当围护结构的保温层。Limam等[12]对软木及其复合材料进行了实验研究，对其热导率、热阻、比热和热扩散率进行测量，发现其热导率在0.068 W/(m·K)左右，其中软木的热导率为0.041 W/(m·K)。

在建筑中绝大多数保温材料基本上是由聚合物材料、填料和其他添加剂复合制成的。如发泡聚苯乙烯(EPS[5])是通过蒸发添加到聚苯乙烯颗粒中的戊烷而获得的，其热导率为0.031～0.037 W/(m·K)，密度为15～75 kg/m3，比热约为1.25 kJ/(kg·K)，且密度越高，保温性能越好，同时有研究发现，EPS的热导率会受水分影响，当干燥的EPS材料放置在相对湿度为90%的气候室中4 h，其热导率可增加1.4%～2.1%[13]，但是这种材料为易燃材料，并且燃烧时会释放有害气体，挤塑聚苯乙烯(XPS[5])与EPS具有相似的保温性能，是通过在挤塑机中加入发泡剂而制成，并且也属于易燃材料，因此，在制造EPS和XPS的过程中必须添加阻燃剂。

另有一部分学者对一些具有回收性的有机保温材料进行了研究，Zacha等[13]指出羊绒具有优良的保温性能，其性能与矿物棉和岩棉类似，此外与矿物棉相比，羊绒更具生态性，对人体健康的危害更小。同时一些研究人员认为玉米也是回收率很高的有机保温材料，Pinto等[14]采用玉米芯制成保温面板并对其保温性能进行研究，结果表明，玉米芯与挤塑聚苯乙烯的微观结构和化学成分具有相似性，并且玉米芯保温面板的保温性能也可以满足建筑节能的需求。表3对有机保温材料的热工参数进行了总结。

表3 有机保温材料的热工参数

通过上述文献可知，大部分有机材料的保温性能较好，但是相比于无机材料，其化学性质不稳定，具有易燃性，并且燃烧后会产生有害气体，因此，在使用有机保温材料时需特别添加阻燃措施。

3 结论与展望

本文通过综述大量的实验模拟得出的数据显示，保温材料的选择对建筑能耗会产生很大程度的影响，不过仍存在一些问题需要进一步深入的研究。岩棉等无机保温材料虽具有成本低、稳定性高的特点，但对于保温性能及物理特性仍有可提升的空间，真空保温板(VIP)、气凝胶等新型无机保温材料在建筑节能方面最具研究前景，但这些材料尚处于商业化的初期阶段，并且还存在力学性能较低、成本高、操作复杂等问题待解决，今后的发展还存在着一定的局限性，而有机保温材料虽然普遍具有良好的保温性能，但其易燃性存在一定的安全隐患，并且其吸湿性对人类生活也会造成一定的影响。今后针对无机材料密度大的特性可以采用密封填充的方式与镂空承重保温相结合，而针对有机材料易燃性和吸湿性的特点可以采用阻隔或封装的方式对其进行改善，综上，保温材料特性的研究具有良好的研究前景，以期获得更低成本、更安全的保温材料来降低建筑能耗。

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