陳依然

(江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱舒適的要求也越來越高，從而造成了建筑能耗的不斷增長，特別是在發(fā)達(dá)國家其建筑能耗達(dá)到了40%左右，超過了交通和工業(yè)的能耗[1]。因此，建筑節(jié)能已經(jīng)成為世界各國研究者關(guān)注的重要課題之一。

研究表明，對(duì)于高耗能建筑，70%以上的建筑能耗是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱造成的[2]，因此，減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能耗對(duì)建筑能耗有著非常重要的作用。其中減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能耗可以通過利用不同的保溫材料對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行改變[3]。目前，大量的保溫材料被商業(yè)化使用，保溫材料通過其化學(xué)性質(zhì)基本可分為無機(jī)和有機(jī)兩類，本文主要針對(duì)以上兩類材料對(duì)建筑的保溫節(jié)能效果進(jìn)行總結(jié)和回顧，以期對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供幫助。

1 無機(jī)保溫材料的特性

由于無機(jī)保溫材料具有不易燃的特性，許多研究學(xué)者對(duì)無機(jī)保溫材料展開研究，通常無機(jī)保溫材料可分為纖維保溫材料和泡沫保溫材料。礦棉是一個(gè)涵蓋各種無機(jī)纖維保溫材料的總稱，其中包括巖棉、玻璃棉和礦渣棉等，它們都由不同的原料制成[4]，如巖棉[5]是通過在1 600℃下熔化幾種巖石(如白云巖、玄武巖和輝綠巖)來制造的，從而獲得纖維，然后使用粘合劑將纖維粘合在一起，其熱導(dǎo)率在0.033～0.046 W/(m·K)，密度在40～200 kg/m3，比熱在0.8～1.0 kJ/(kg·K)，此外，它們雖然價(jià)格便宜，但是有研究表明，水蒸氣的凝結(jié)會(huì)對(duì)建筑用巖棉材料的隔熱性能產(chǎn)生負(fù)面影響。而玻璃棉[5]是在1 300℃～1 450℃的溫度下將天然砂和玻璃混合而成，根據(jù)Villasmil等[6]的回顧，玻璃棉的熱導(dǎo)率為0.030～0.046 W/(m·K)，與巖棉非常接近。無機(jī)泡沫保溫材料有硅酸鈣、珍珠巖和蛭石等，泡沫保溫材料普遍具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，這是由于高孔隙率降低了其機(jī)械強(qiáng)度并改善了其吸濕特性。Gao等[7]采用珍珠巖制備了新型泡沫保溫材料，包括珍珠巖/硅酸鈉、過氧化氫、十六烷基三甲基溴化銨和巖棉，這種新型泡沫保溫材料比其他具有較低導(dǎo)熱系數(shù)和較高機(jī)械強(qiáng)度的無機(jī)材料更輕。

與已廣泛用于建筑中的礦棉等保溫材料相比，還有氣凝膠等保溫材料正在研發(fā)中，它們的特點(diǎn)是具有非常低的熱導(dǎo)率，對(duì)建筑節(jié)能的效果顯著，氣凝膠便是一種輕質(zhì)、高保溫材料[8]。Gao等[9]針對(duì)挪威奧斯陸的小型建筑，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加了氣凝膠材料，結(jié)果表明，使用氣凝膠板的建筑可降低21%的能耗。除氣凝膠以外，真空保溫板(VIP)也是當(dāng)今市場上最有前途的高性能保溫材料之一，其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.004 W/(m·K)[6]，齊嬌等[10]模擬了用VIP板代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚苯乙烯板材對(duì)建筑熱性能的影響，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)保溫板材，使用VIP的建筑年能耗減少了18.8%。但真空保溫板并不易制作，為了防止空氣滲透，需要薄膜進(jìn)行封裝。具體的無機(jī)保溫材料熱工參數(shù)見表1。

表1 無機(jī)保溫材料的熱工參數(shù)

雖然以上材料均可作為保溫材料來使用，但均不具備承重能力，只可用于保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的裝配系統(tǒng)中，對(duì)此人們采用可承重的保溫材料進(jìn)行研究，使建筑主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱合二為一。Diao等[11]對(duì)可承重的保溫材料的熱工性能進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)檢測，結(jié)果表明，實(shí)心墻的承重、保溫、隔熱、隔聲效果比較理想，且具有耐火和抗凍性，但是耗用黏土較多，破壞耕地，施工速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，自重大，空心墻相比于實(shí)心磚具有重量輕，黏土用量少等優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)約磚量30%；但其承載能力弱，隔聲效果亦不理想，材料檢測結(jié)果見表2。

表2 材料試驗(yàn)檢測結(jié)果[11]

綜合以上文獻(xiàn)可知，對(duì)于目前市面上廣泛使用的無機(jī)保溫材料通常具備穩(wěn)定、成本低、無毒等特性，但與氣凝膠和VIP等新型無機(jī)材料相比其節(jié)能性和保溫性能不佳，其次氣凝膠和VIP雖然具有良好的節(jié)能效果，但是由于其成本過高以及制作過程繁瑣導(dǎo)致其至今并沒有廣泛被使用。

2 有機(jī)保溫材料的特性

有機(jī)保溫材料相比與無機(jī)保溫材料具有更優(yōu)良的保溫性能以及保溫形式的多樣性。有研究學(xué)者[3]發(fā)現(xiàn)纖維素不僅可以作為填充式保溫材料對(duì)各種空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，也可以制成保溫板來充當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層。Limam等[12]對(duì)軟木及其復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)其熱導(dǎo)率、熱阻、比熱和熱擴(kuò)散率進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率在0.068 W/(m·K)左右，其中軟木的熱導(dǎo)率為0.041 W/(m·K)。

在建筑中絕大多數(shù)保溫材料基本上是由聚合物材料、填料和其他添加劑復(fù)合制成的。如發(fā)泡聚苯乙烯(EPS[5])是通過蒸發(fā)添加到聚苯乙烯顆粒中的戊烷而獲得的，其熱導(dǎo)率為0.031～0.037 W/(m·K)，密度為15～75 kg/m3，比熱約為1.25 kJ/(kg·K)，且密度越高，保溫性能越好，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，EPS的熱導(dǎo)率會(huì)受水分影響，當(dāng)干燥的EPS材料放置在相對(duì)濕度為90%的氣候室中4 h，其熱導(dǎo)率可增加1.4%～2.1%[13]，但是這種材料為易燃材料，并且燃燒時(shí)會(huì)釋放有害氣體，擠塑聚苯乙烯(XPS[5])與EPS具有相似的保溫性能，是通過在擠塑機(jī)中加入發(fā)泡劑而制成，并且也屬于易燃材料，因此，在制造EPS和XPS的過程中必須添加阻燃劑。

另有一部分學(xué)者對(duì)一些具有回收性的有機(jī)保溫材料進(jìn)行了研究，Zacha等[13]指出羊絨具有優(yōu)良的保溫性能，其性能與礦物棉和巖棉類似，此外與礦物棉相比，羊絨更具生態(tài)性，對(duì)人體健康的危害更小。同時(shí)一些研究人員認(rèn)為玉米也是回收率很高的有機(jī)保溫材料，Pinto等[14]采用玉米芯制成保溫面板并對(duì)其保溫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，玉米芯與擠塑聚苯乙烯的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分具有相似性，并且玉米芯保溫面板的保溫性能也可以滿足建筑節(jié)能的需求。表3對(duì)有機(jī)保溫材料的熱工參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

表3 有機(jī)保溫材料的熱工參數(shù)

通過上述文獻(xiàn)可知，大部分有機(jī)材料的保溫性能較好，但是相比于無機(jī)材料，其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，具有易燃性，并且燃燒后會(huì)產(chǎn)生有害氣體，因此，在使用有機(jī)保溫材料時(shí)需特別添加阻燃措施。

3 結(jié)論與展望

本文通過綜述大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出的數(shù)據(jù)顯示，保溫材料的選擇對(duì)建筑能耗會(huì)產(chǎn)生很大程度的影響，不過仍存在一些問題需要進(jìn)一步深入的研究。巖棉等無機(jī)保溫材料雖具有成本低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，但對(duì)于保溫性能及物理特性仍有可提升的空間，真空保溫板(VIP)、氣凝膠等新型無機(jī)保溫材料在建筑節(jié)能方面最具研究前景，但這些材料尚處于商業(yè)化的初期階段，并且還存在力學(xué)性能較低、成本高、操作復(fù)雜等問題待解決，今后的發(fā)展還存在著一定的局限性，而有機(jī)保溫材料雖然普遍具有良好的保溫性能，但其易燃性存在一定的安全隱患，并且其吸濕性對(duì)人類生活也會(huì)造成一定的影響。今后針對(duì)無機(jī)材料密度大的特性可以采用密封填充的方式與鏤空承重保溫相結(jié)合，而針對(duì)有機(jī)材料易燃性和吸濕性的特點(diǎn)可以采用阻隔或封裝的方式對(duì)其進(jìn)行改善，綜上，保溫材料特性的研究具有良好的研究前景，以期獲得更低成本、更安全的保溫材料來降低建筑能耗。

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