張光磊 郝 寧 趙士永

1石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（050043） 2 河北省建筑科學(xué)研究院有限公司（050021）

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑行業(yè)發(fā)展迅速，但隨之也帶來了傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境破壞問題嚴(yán)重等這些與人類生存有緊密關(guān)系的一系列問題。 因此，在不可再生能源日益匱乏、 環(huán)境問題亟需解決的今天，建筑行業(yè)作為一個(gè)能源損耗量極大的行業(yè)，我國開始了極力推廣超低能耗建筑的政策，建筑方面的科研人員抓緊聚焦于研究超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料與建筑技術(shù)方面的研發(fā)和大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。超低能耗建筑在有效降低了能源的消耗的同時(shí)還充分適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣骱彤?dāng)下的自然條件，為人們提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并且緩解了溫室效應(yīng)、霧霾加劇等這些與人們息息相關(guān)的環(huán)境問題，與現(xiàn)如今新時(shí)代的建筑方針相契合。并且對(duì)于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善人居環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展有著重大意義[1]。 超低能耗中的關(guān)鍵材料與建筑技術(shù)已成為目前的研究熱點(diǎn)。

1 超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料

一般來說，超低能耗建筑中的材料就是指維持建筑物日常使用過程中應(yīng)用的可以達(dá)到能源消耗比較低的效果的建筑材料[2]，即在減少能源消耗的同時(shí)也需要達(dá)到建筑內(nèi)部所要達(dá)到的溫度的材料。一般都是通過改變材料自身的特性來達(dá)到建筑節(jié)能的目的，既減少能源消耗又達(dá)到建筑所需性能的材料。其中，在節(jié)能建筑、綠色建筑、生態(tài)建筑、超低能耗建筑中得到廣泛應(yīng)用的相變材料，就在超低能耗建筑中取得了顯著的效果，還有對(duì)保溫隔熱性能起著至關(guān)重要作用的新型墻體保溫材料等都是超低能耗建筑中的關(guān)鍵材料。其意義在于一方面滿足了建筑空間的熱環(huán)境的要求，另一方面又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源的目標(biāo)[3]。

1.1 新型墻體保溫材料

墻體保溫材料對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能要求有著重要作用， 材料的選擇將會(huì)直接影響建筑的低能耗和保溫隔熱性能的要求。 墻體保溫材料通?？煞譃橛袡C(jī)類和無機(jī)類兩大類， 其中常見的有機(jī)保溫材料有擠塑聚苯乙烯泡沫板[4]和聚氨酯[5]等，廣泛應(yīng)用于超低能耗建筑中； 常見的無機(jī)保溫材料有膨脹珍珠巖[6]和巖棉[7]等，具有強(qiáng)耐久性、施工方便和環(huán)?？稍倮玫葍?yōu)點(diǎn)，但其保溫性相較于有機(jī)保溫材料較差。

目前，為了能夠充分的發(fā)揮保溫材料的性能，節(jié)約建筑成本，節(jié)省原料的使用及更高效的達(dá)到建筑節(jié)能的要求，研究出了一些新型的保溫材料，并應(yīng)用于各種低能耗建筑中。 復(fù)合型硅酸鹽保溫材料是一種新型的高效保溫材料，是由鎂、鋁、硅酸鹽等反應(yīng)復(fù)合而制成的，不僅具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，并且還能夠承受700 ℃以上的高溫， 在施工過程中可任意剪裁[7]，施工方便，如今在建筑工程中已廣泛應(yīng)用；改性酚醛保溫板保溫性能很好， 并且它自身的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐久性強(qiáng)[8]，可廣泛應(yīng)用于各種節(jié)能建筑中；STP 超薄真空保溫板有著優(yōu)異的保溫和阻燃性能，導(dǎo)熱系數(shù)非常低，但是材料內(nèi)部為真空，如果材料出現(xiàn)破損時(shí)就會(huì)迅速導(dǎo)致保溫隔熱性能變差[9]，并且成本高，施工復(fù)雜，目前該種材料在建筑的實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制。

墻體的保溫性能對(duì)低能耗建筑有著重要影響，而墻體保溫材料是建筑過程中的基礎(chǔ)，目前已廣泛應(yīng)用的保溫材料還是以有機(jī)保溫材料為主。 但隨著進(jìn)一步的實(shí)用型研究，一些新型的保溫材料也會(huì)逐漸在超低能耗建筑中得到廣泛的使用，以達(dá)到降低成本，大幅提高節(jié)能和保溫性能的目標(biāo)。

1.2 相變材料

相變材料近年來受到了建筑行業(yè)的推崇，在生態(tài)節(jié)能、低能耗建筑中得到了廣泛應(yīng)用。物質(zhì)的存在通常有三種形態(tài)，物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)叫相變，而在這相變過程中來蓄熱的蓄熱介質(zhì)就是我們現(xiàn)如今常稱的相變材料[10]。

通過向普通建筑材料中加入相變材料，可以制成具有較高熱容的輕質(zhì)建筑材料，以此來應(yīng)用到建筑工程中。 相變材料按照材料成分通?？煞譃闊o機(jī)類、有機(jī)類和復(fù)合儲(chǔ)熱類材料三大類。 按照相變類型則主要分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變、液-氣相變四類材料，其中應(yīng)用最多的為固-固相變材料，層狀鈣鈦礦類相變材料就是應(yīng)用于建筑工程中的一種固-固相變材料[11]。 按照儲(chǔ)能方式又可以分為顯熱儲(chǔ)能類、潛熱儲(chǔ)能類和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能類三類材料，而潛熱儲(chǔ)能類相變材料就是利用材料的相變潛熱來儲(chǔ)熱，在儲(chǔ)熱過程中可以較容易地實(shí)現(xiàn)室溫的定溫控制，因此特別適用于建筑保溫節(jié)能領(lǐng)域中[12]，并且儲(chǔ)熱的裝置簡單，易于操作。 這些類相變材料在建筑使用過程中均具有體積穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能優(yōu)異并且安全節(jié)能，成本低的特點(diǎn)[13]。

為了得到更加具有優(yōu)異的性能及節(jié)能效果顯著并且生產(chǎn)簡便成本低可以大范圍使用的新型相變材料，研究人員也一直在研究改進(jìn)之中。 研究人員以癸酸和月桂酸的低共熔物作為相變材料，普通石膏板為建筑基材研制出了最佳的相變儲(chǔ)能墻板[14]，貼合性能好，保溫性能優(yōu)異，具有很好的節(jié)能效果。 Ahmad 等人[15]研制出了目前應(yīng)用在建筑技術(shù)中的含有聚乙二醇-600 的聚氯乙烯石膏板相變墻體，在被動(dòng)式建筑中將微膠囊相變材料直接與混凝土摻雜，或?qū)⑾嘧儾牧戏庋b在內(nèi)墻板、地板、天花板等普通建材內(nèi)用于儲(chǔ)能節(jié)能應(yīng)用[16]。

2 超低能耗建筑中的關(guān)鍵技術(shù)

超低能耗建筑技術(shù)是指在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源和設(shè)備系統(tǒng)、智能控制、可再生能源利用等方面綜合選用各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)， 利用高效保溫隔熱技術(shù)材料，能耗水平遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑的建筑物，是一種不用或者盡量少用一次能源， 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達(dá)到超低能耗的材料以外，還需要運(yùn)用技術(shù)來使用這些材料從而達(dá)到節(jié)能目的。

2.1 建筑外墻保溫技術(shù)

外墻保溫技術(shù)按照外墻和保溫材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要可以分為外墻內(nèi)保溫、外墻夾心保溫和外墻外保溫三類[17]。

1）外墻內(nèi)保溫就是將保溫材料粘貼在外墻內(nèi)側(cè)，方法簡單，施工難度低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，升降溫所需時(shí)間短，但缺點(diǎn)是裝修時(shí)容易破壞保溫層，占用室內(nèi)空間。

2）外墻夾心保溫是用混凝土砌成內(nèi)外兩側(cè)墻，中間層為填充保溫材料， 具有防水耐久的特點(diǎn)，對(duì)保溫材料要求不高， 對(duì)季節(jié)和施工條件要求低，但墻體偏厚，構(gòu)造較傳統(tǒng)墻體復(fù)雜，外側(cè)墻體受室外氣候影響大，穩(wěn)定性較差。

3）外墻外保溫是將保溫材料粘貼在外墻外側(cè)，不占用室內(nèi)空間，減少熱橋，隔熱效果好，但對(duì)保溫材料的防水性、防火性等的要求較高。

目前大多數(shù)超低能耗建筑技術(shù)中的外墻保溫通常選擇外墻外保溫技術(shù)和外墻夾心保溫技術(shù)這兩種技術(shù),技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛，節(jié)能保溫效果優(yōu)異。

2.2 相變節(jié)能技術(shù)

相變材料在低能耗建筑和建筑設(shè)備中包括相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)[18]、相變儲(chǔ)能供暖空調(diào)系統(tǒng)、太陽能光伏光熱相變儲(chǔ)能與熱管理系統(tǒng)、建筑余熱、廢熱相變回收系統(tǒng)等[19]。

相變儲(chǔ)熱墻體建筑技術(shù)將會(huì)阻斷室內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，防止室內(nèi)的熱量擴(kuò)散到室外，使室內(nèi)達(dá)到所需溫度， 以此產(chǎn)生顯著的建筑節(jié)能效果。Voelker 等人[20]為了墻體結(jié)構(gòu)簡便輕質(zhì)，將相變材料加入石膏板中制成相變墻體。 Lee 等人[21]為了改善已建建筑墻體的蓄熱能力，提出了在絕緣層的制造過程中直接將相變材料與絕緣材料混合在一起，在纖維素為載體的情況下將材料附著在墻體上。

相變儲(chǔ)能屋頂建筑技術(shù)將會(huì)減少屋內(nèi)熱量損失，改善建筑屋面的蓄熱能力，達(dá)到節(jié)能效果。Yoon等人[22]將含有相變材料的聚氨酯基膜用于屋面節(jié)能，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 將相變材料夾在聚氨酯膜和石棉層之間，三者的聯(lián)合作用可以更加提高相變材料的儲(chǔ)熱能力，達(dá)到更加高效和大幅度的節(jié)能效果。

相變儲(chǔ)能地板建筑技術(shù)則為了提升地板的蓄熱能力，減緩冬季地暖循環(huán)水溫度降低的速度，保溫的同時(shí)也大幅的節(jié)約了能源。 現(xiàn)如今冬季的取暖方式普遍用地?zé)崛∨?即暖流從地板上擴(kuò)散開來，因此Xia 等人[23]提出建立多層組合型的相變地板的結(jié)構(gòu)， 利用相變材料的蓄熱能力來參與相變的調(diào)節(jié)，以達(dá)到保溫節(jié)能的目的，使房屋在冬季都達(dá)到適宜的溫度效果，并且由于相變的儲(chǔ)熱而減少地暖能量的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 相變材料多層相變屋頂

這些相變材料在低能耗建筑相變過程中的建筑技術(shù)在較為簡單方便施工的同時(shí)，將相變材料應(yīng)用在整個(gè)建筑的各個(gè)方面，高效完美的達(dá)到了建筑節(jié)能低能耗的目的。

3 結(jié)語

建筑行業(yè)一直是傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，但在當(dāng)今全球變暖，不可再生能源儲(chǔ)量危機(jī)的背景下，減少碳排放和減緩石化能源燃燒已成為全球共同的選擇。 建筑行業(yè)及建筑方面科研人員必須要積極響應(yīng)并加速落實(shí)我國節(jié)約能源、降低能耗的政策要求，聚焦超低能耗中的關(guān)鍵材料和技術(shù)，進(jìn)行深入全面的研究，采用節(jié)能材料及節(jié)能工藝，提高建筑物的儲(chǔ)熱能力及建筑材料的合理有效利用率， 在高效能、低成本下達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，將建筑節(jié)能行業(yè)向綠色節(jié)能的方向發(fā)展。