1前言

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，建筑能耗控制成為提升能源利用效率的重要方向，超低能耗建筑由此得到快速發(fā)展。圍護結(jié)構(gòu)熱工性能是決定其能效水平的關(guān)鍵因素。氣凝膠作為新型納米保溫材料，以其極低導熱性和良好環(huán)保性受到廣泛關(guān)注。本文圍繞氣凝膠在超低能耗建筑中的應(yīng)用展開研究，結(jié)合性能測試與工程實踐，探討其適用性與節(jié)能潛力，為其工程化推廣提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

2氣凝膠保溫材料概述

氣凝膠保溫材料是一種由納米級粒子構(gòu)成的高孔隙率固體材料，具有極低的熱導率和優(yōu)異的隔熱性能，其導熱系數(shù)可低至 0.012W/（m?K） ，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的聚苯乙烯、巖棉等保溫材料。在超低能耗建筑中，圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能對整體能耗控制起著決定性作用，而氣凝膠憑借其輕質(zhì)、阻燃、憎水、耐候等多重優(yōu)勢，能夠在保證保溫性能的同時有效減小材料厚度，提高空間利用率。目前，氣凝膠材料主要以氈、板、顆粒等形式應(yīng)用于建筑外墻、屋面、地面、門窗縫隙等部位，有效解決了復雜節(jié)點保溫難、熱橋控制弱等問題。隨著制備技術(shù)的進步和成本逐步下降，氣凝膠在超低能耗建筑中的應(yīng)用正由示范工程向規(guī)?；茝V轉(zhuǎn)變，成為推動建筑節(jié)能提效、實現(xiàn)綠色基金項目：本文系甘肅省高校教師創(chuàng)新低碳自標的重要新型材料。

3氣凝膠保溫材料基本性能

3.1氣凝膠的熱性能

氣凝膠材料以其超低熱導率在建筑節(jié)能中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。實驗數(shù)據(jù)顯示，硅酸鹽氣凝膠的熱導率通常在 0.012W/（m?K）～0.018W/（m?K） 之間，相比傳統(tǒng)聚苯乙烯（約 0.035W/（m?K） 降低了近 50% 。依據(jù)熱傳導定律，單位面積單位時間的熱流密度公式為：

其中 λ 為熱導率 為溫度梯度。在外墻溫差為20% 、氣凝膠保溫層厚度為 50mm 的條件下，熱流密度計算為：

這一數(shù)值顯著低于傳統(tǒng)保溫材料對應(yīng)參數(shù)，表明氣凝膠能有效阻隔熱傳導。氣凝膠內(nèi)部納米孔隙結(jié)構(gòu)能夠抑制熱輻射和微對流，使得其整體熱傳遞機理更加穩(wěn)定，進一步確保了超低能耗建筑中圍護結(jié)構(gòu)的熱性能達標。

3.2氣凝膠的力學性能

氣凝膠材料因其高度孔隙化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)低密度和脆性特征，常規(guī)硅基氣凝膠的抗壓強度一般僅為 0.1MPa～ 0.5MPa ，其應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系公式：

其中彈性模量E通常低于 10MPa 。在標準壓縮試驗中，通過公式：

計算得知，當施加負荷使局部應(yīng)力達到約 0.3MPa 時，純氣凝膠樣品便開始出現(xiàn)微裂紋，表明其在集中載荷作用下存在破壞風險。針對這一問題，通過引人纖維或采用復合材料工藝，氣凝膠的抗壓強度可提高至1MPa 以上，同時改善抗彎和抗沖擊性能，從而滿足超低能耗建筑對圍護結(jié)構(gòu)力學安全性的要求。

3.3氣凝膠的環(huán)保性與可持續(xù)性

氣凝膠材料在環(huán)保性與可持續(xù)性方面具備明顯優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在原材料綠色環(huán)保、生產(chǎn)過程低污染以及使用周期長等方面。以硅基氣凝膠為例，其主要成分為硅溶膠或水玻璃，無毒無害，不含氟利昂等破壞臭氧層的成分，在制備過程中可通過溶膠-凝膠反應(yīng)結(jié)合常壓干燥技術(shù)，大幅降低有機溶劑使用量，減少VOCs排放。使用階段，氣凝膠憑借其超低導熱性能可顯著降低建筑采暖和制冷能耗，根據(jù)實際能耗模擬，一棟外墻使用氣凝膠保溫層的被動式住宅年能耗可降低 30% 以上，間接減少二氧化碳排放。氣凝膠具備優(yōu)異的耐老化性能，其服役壽命可達25年以上，減少更換頻率和建筑垃圾生成。部分產(chǎn)品采用可再生材料或回收玻璃制備，提升了資源利用效率，符合綠色建筑材料評價標準中的“資源節(jié)約\"和“環(huán)境友好\"要求，是實現(xiàn)建筑全生命周期低碳化目標的重要支撐材料。

4實驗研究

4.1測試方法與實驗方案

為系統(tǒng)評估氣凝膠保溫材料在超低能耗建筑中的性能表現(xiàn)，實驗研究選取硅基氣凝膠氈作為測試對象，圍繞熱導率、壓縮強度、導濕系數(shù)和憎水性四項關(guān)鍵指標進行測試，采用標準化試驗方法以確保數(shù)據(jù)的科學性與可比性。熱導率測試采用穩(wěn)態(tài)平板熱流計法（依據(jù)GB/T10294-2008），在不同溫差和厚度條件下測定材料的熱傳導性能；壓縮強度測試采用GB/T8813-2008標準，通過電子萬能試驗機進行加載；導濕系數(shù)測試參照GB/T17147-1997，評估材料的透濕性對保溫性能的影響；憎水性測試采用靜態(tài)接觸角法，并結(jié)合吸水率測定判斷其防潮能力。各項實驗條件均在恒溫恒濕環(huán)境下進行，以模擬建筑實際應(yīng)用場景，具體試驗項目與對應(yīng)標準如表1所示。

4.2結(jié)果分析與討論

從熱工性能角度，重點考察其在不同厚度和溫差條件下的導熱穩(wěn)定性；從結(jié)構(gòu)安全性角度，分析材料在受力狀態(tài)下的變形能力和抗壓極限；從耐久與防潮方面，關(guān)注其透濕阻力與抗水性能對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的影響。為了清晰展示各項指標的實驗數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，整理后的測試結(jié)果見表2。

從表2所列實驗數(shù)據(jù)來看，氣凝膠保溫材料在熱工性能方面表現(xiàn)突出，其熱導率穩(wěn)定在0.012W/ （m?K）～ 0.018W/（m?K） 之間，遠低于傳統(tǒng)無機保溫材料（如巖棉約 0.035W/（m?K） ），說明其具備顯著的隔熱優(yōu)勢，能夠有效降低建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失。在力學性能方面，氣凝膠的抗壓強度處于 0.3MPa～0.5MPa ，雖不及硬質(zhì)保溫板材，但對于非承重保溫系統(tǒng)已基本滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，尤其適用于復合夾芯結(jié)構(gòu)和外墻保溫層的柔性鋪設(shè)需求。導濕系數(shù)測試結(jié)果在 50g/m²?d～70g/m²?d 之間，表明其具有良好的防潮性能，可在高濕度環(huán)境中保持熱性能不衰減，有利于延長建筑保溫系統(tǒng)的服役周期。靜態(tài)接觸角達到 105^° 至 120^° ，進一步印證了材料的憎水特性，能夠有效防止雨水滲透和內(nèi)部冷凝，減少熱橋效應(yīng)。

5超低能耗建筑應(yīng)用

5.1外墻保溫系統(tǒng)應(yīng)用

氣凝膠保溫材料憑借極低的導熱系數(shù)（ （0.012W/m ：K～0.018W/m?K ）和優(yōu)異的憎水性，在外墻保溫系統(tǒng)中表現(xiàn)出突出的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠氈或復合板可在更薄厚度下實現(xiàn)更高熱阻，適用于對空間利用率要求較高的被動式住宅和公共建筑。在具體應(yīng)用中，氣凝膠常作為內(nèi)嵌層復合于保溫裝飾一體化板中，或通過干掛系統(tǒng)安裝于建筑外墻基面，有效控制熱橋并減少節(jié)點傳熱。工程實踐表明，采用氣凝膠保溫系統(tǒng)的外墻傳熱系數(shù)可控制在 0.15W/（m²?K） 以下，遠優(yōu)于現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計標準要求。優(yōu)良的耐候性和尺寸穩(wěn)定性使其在長期暴露于高濕、高溫、紫外輻射環(huán)境下仍能保持性能不衰減，為建筑實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的熱環(huán)境控制提供了可靠保障4]。

5.2屋面與地面保溫系統(tǒng)應(yīng)用

在屋面應(yīng)用中，氣凝膠氈可作為防水層下的保溫層，與卷材或剛性防水層復合使用，不僅有效控制屋面熱損失，還能因其憎水性和耐紫外性能增強系統(tǒng)整體耐久性。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，采用 25mm 厚氣凝膠氈的屋面系統(tǒng)，其傳熱系數(shù)可控制在 0.2W/（m²?K） 以內(nèi)，滿足嚴寒和寒冷地區(qū)超低能耗建筑技術(shù)指標要求。在地面保溫方面，氣凝膠復合板通常鋪設(shè)于墊層與結(jié)構(gòu)層之間，既起到熱阻隔作用，又具備良好的抗壓性能，適應(yīng)地面荷載分布。在有地暖系統(tǒng)的建筑中，氣凝膠材料可有效減少熱量向下傳導，提高地暖系統(tǒng)效率。

5.3門窗及結(jié)構(gòu)縫隙處理應(yīng)用

氣凝膠材料由于其柔性、可裁剪性以及極低導熱系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于門窗框與墻體之間的連接縫、預埋管道縫隙、結(jié)構(gòu)節(jié)點交界處等難以處理的部位。在門窗安裝過程中，利用氣凝膠條或顆粒填充窗框四周縫隙，可有效降低冷橋效應(yīng)，使該部位的線性熱傳導系數(shù)顯著下降，傳熱損失減少 20% 以上。對于建筑結(jié)構(gòu)中存在的施工縫、預留孔等位置，傳統(tǒng)泡沫材料在氣密性和耐久性方面存在不足，而氣凝膠復合墊材則具備更穩(wěn)定的物理性能，能長期保持形變小、密封性強的特點，確保結(jié)構(gòu)節(jié)點在高溫差環(huán)境下不發(fā)生熱能泄露。部分廠商已推出專用于門窗系統(tǒng)的氣凝膠保溫密封產(chǎn)品，與高性能玻璃和多腔體窗框配合使用，使整窗傳熱系數(shù)降低至0.8W/（m²?K） 以下，可有力支撐超低能耗建筑門窗系統(tǒng)的節(jié)能達標與氣密性能提升。

5.4實際工程案例分析

本次選取了河北省廊坊市某被動式超低能耗住宅示范工程為例，該項目建筑面積約4200平方米，外墻、屋面及門窗縫隙均采用氣凝膠保溫材料進行節(jié)能設(shè)計。外墻采用厚度為 20mm 的氣凝膠復合保溫板，屋面鋪設(shè)25mm 氣凝膠氈層，門窗縫隙采用氣凝膠柔性條進行填縫密封。通過能耗模擬及實際運行對比，項目在冬季采暖期的單位面積能耗為 18.5kWh/（m²?a） ，較同期相似結(jié)構(gòu)但使用傳統(tǒng)巖棉保溫材料的住宅（能耗約為 35.2kWh/（m²?a）） 下降了 47.4% 。此外，紅外熱成像檢測表明該項目外圍護結(jié)構(gòu)熱橋明顯減少，熱流密度分布更為均勻。以下為采用不同保溫材料的能耗與熱工性能對比情況（見表3）：

6結(jié)論

氣凝膠保溫材料憑借其優(yōu)異的熱工性能、力學適應(yīng)性與環(huán)?？沙掷m(xù)特性，在超低能耗建筑圍護系統(tǒng)中的應(yīng)用展現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實際工程案例進一步驗證了其在不同構(gòu)造部位的適用性與綜合效益。未來應(yīng)加快高性能復合氣凝膠產(chǎn)品的工程化開發(fā)，完善相關(guān)標準體系，推動其在更廣泛的建筑類型中規(guī)?；瘧?yīng)用，為實現(xiàn)建筑領(lǐng)域“雙碳”目標提供技術(shù)支撐。

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