气凝胶保温材料等绿色节能技术在近零能耗建筑中的应用

　　1 前言

　　据中国建筑节能协会建筑能耗统计专委会2020年发布的2018年全国建筑全过程能耗总量的统计研究，建筑从最初材料的生产、运输，再到施工、运行、拆除，在建筑全过程中碳排放量占到2018年全国总碳排放量的46.5%。与之相对应的是我国的建筑节能标准也在不断提升。目前，我国大部分地区实施65%节能标准，一些省市实施75%节能标准，更高节能标准(节能90%)的被动式建筑或零能耗建筑也已进入示范推广阶段。高效能的建材可以提高建筑能效，减少能源利用，进而助力国家碳达峰目标实现。气凝胶是指凝胶中的大部分溶剂被脱去后没有坍塌的固体结构[1]，其空间网状结构中充满的介质是气体。气凝胶是优异的绝热材料，小于空气分子自由程(70mm)的纳米级孔洞使气凝胶导热系数低于静止的空气〔室温约0.025W/(m·K)〕[2]，因此气凝胶在建筑隔热保温方面有着优良的表现。

　　《高分子材料科学与工程》(月刊)1985年创刊，本刊系经国家科委批准，公开发行的专业性学术刊物，登载与高子分子材料科学与工程领域有关的高分子化学，高分子物理和物化，反应工程，结构与性能，成型加工理论与技术。

　　除了提高建筑的节能效果外，人们对建筑的绿色、生态、健康、智能、安全等性能的需求也不断提升，这不仅需要建筑围护结构拥有更好的保温性，也需要建筑设备的工作效率、家居的智能化以及可再生能源的利用程度实现重大飞跃。

　　笔者团队所研究的示范屋项目以打造近零能耗建筑、提高建筑居住舒适度、优化人与建筑的智能互动为目的，通过在示范屋中使用气凝胶新型保温材料、气凝胶玻璃、电致变色玻璃、双稳态智能调光玻璃、带热回收的新风系统、空气源热泵、光伏瓦、光伏光热一体化、室外发电地砖、智能家居等技术，实现建筑的低能耗、舒适化、智能化，从而验证气凝胶保温材料的实用性及保温效果、了解新型玻璃如何便利人们的日常生活、探究可再生能源在建筑中的利用率，对新型技术的推广起到示范作用。

　　2 项目概况

　　该示范屋项目位于山西阳泉，以“被动优先、主动优化、最大化利用可再生能源”为设计原则，是一栋2层新建建筑，示范屋效果图如图1所示。该示范层建筑面积280.9m2，建筑高度8.70m，隐形钢框架结构;主要建筑功能第1层为智能家居体验厅、茶室、产品展示区，第2层为厨房、餐厅、茶室及卫生间。

　　2.1 “被动优先”原则

　　建筑被动式设计就是使建筑在冬季充分利用太阳辐射取暖，尽量减少通风及围护结构上的热量损失;夏季尽量减少太阳辐射和人员设备散热造成的热量。该项目位于寒冷气候区，冬季供暖能耗远大于夏季制冷能耗，因此南侧的窗墙比大于北侧，以此来增加建筑的太阳辐射得热。建筑围护结构保温主要为气凝胶相关保温材料，其中外墙保温采用金属气凝胶复合材料装配式节能调湿系统，屋面保温采用气凝胶改性石墨复合保温板，地面保温采用气凝胶毡、建筑内隔墙保温采用气凝胶涂层。为了保证建筑的保温效果，同时为了满足生活中不同使用场景需求，示范屋中的大部分玻璃采用了气凝胶玻璃来达到保温效果。在卫生间、餐厅及茶室使用了双稳态智能调光玻璃来达到防窥的目的，在一楼的智能家居体验厅使用了电致变色玻璃来满足室内不同光线效果的需求。示范屋的建筑气密性(换气次数N50)为1次/h，以此来减少建筑围护结构上空气渗透造成的热量损失。通过以上方式来最大化地降低建筑本体的能源消耗，即“被动优先”原则。

　　2.2 “主动优化”原则

　　该项目利用带热回收的新风系统对建筑进行通风，减少通风造成的冬季热损失和夏季冷气损失。照明采用高光效LED灯来提高照明效率。主要采用空气源热泵对房间进行供暖及制冷，空气源热泵节能效果突出，用在供暖上只需传统电热器1/4的电能即可获得相同的热量。智能家居可以为房间使用人员提供全方位的信息交互功能，有助于对建筑内设备进行集中控制，感应器可感知环境变化自动设置家居环境从而减少设备能耗。能源管理平台可以实时监测建筑的能源使用情况，帮助使用者更好地控制功能设备。通过以上方式来满足室内舒适度要求，即“主动优化”原则。

　　2.3 “最大化利用可再生能源”原则

　　示范屋北侧及南侧屋顶使用光伏建筑一体化(BIPV)技术，使用的光伏瓦不仅具有围护结构的功能，同时可以为示范屋提供电能。南侧屋顶采用光伏光热一体化可为建筑提供电能及生活热水。光伏光热综合利用技术是将光伏电池与太阳能集热技术结合起来，在将太阳能转化为电能的同时，由集热组件中的冷却介质带走电池的热量加以利用，从而提高太阳能的综合利用效率。太阳能智慧地砖产品可以将太阳能转化为热能，让道路直接发电，配合智慧路灯可减少夜间室外照明能耗。

　　通过以上措施来减少化石燃料的使用，即“最大化利用可再生能源”原则。

　　3 示范屋中各气凝胶材料及其他新型材料

　　3.1 金属气凝胶复合材料装配式节能调湿系统

　　金属气凝胶复合材料装配式节能调湿系统是以气凝胶改性石墨复合保温板为保温材料、以金属复合装饰板为面层，辅以外保温湿气管理部件组成的装配式系统。

　　该系统为装配式安装，安全可靠，便于安装、维护、更换及拆除，且寿命可达25年以上，符合绿色低碳的理念。系统中气凝胶改性石墨复合保温板导热系数可达到0.045W/(m·K)，保溫效果优良。系统内外保温层间设置的湿气管理部件可以应对环境中的湿气对系统保温效果的影响，使保温材料保持干燥，保障其保温效果。金属复合装饰板表面涂层可根据使用场所不同可进行选择，装饰效果丰富。

　　3.2 气凝胶毡

　　在本示范屋项目中使用了防火等级为A级，导热系数为0.020W/(m·K)的气凝胶毡材料作为地面保温及管道保温。气凝胶毡导热系数低于岩棉、聚氨酯材料等传统的保温材料，且具备良好的柔韧性，易裁剪，可以提高空间利用率。在相同的保温效果下，应用在地面保温可节省室内净高，应用在管道保温上可有效地减少保温占用空间，且便于管线综合排布。

　　3.3 气凝胶涂料

　　气凝胶保温中涂层是将具有极佳隔热性能的气凝胶粉体作为填料加入水性涂料内，使厚质涂层具有高效保温性能，导热系数介于0.026～0.030 W/(m·K)之间。材料不含挥发性有害化合物，生产工艺流程及使用过程安全环保无毒。气凝胶涂料具备良好的隔音降噪功能，还搭配水性热反射材料和水性防水材料，形成完整的保温隔热或保温隔热防水的功能。气凝胶涂料的建筑防火等级为A2级，高于传统保温材料。此外，气凝胶涂料的抗裂性与自洁性非常好，可避免热胀冷缩导致保温材料及外饰面的开裂甚至脱落。

　　3.4 气凝胶玻璃

　　气凝胶材料含有纳米骨架组成的三维空间纳米网络结构，具有密度低、孔隙率高、热导率低、折射率低和透过率高的优异性能[3-6]，已成为建筑玻璃复合材料的理想选择[7]。气凝胶玻璃通过创新引入新型透明气凝胶核心材料，并融合了中空玻璃、真空玻璃技术。气凝胶玻璃因其低导电性、低密度、高效隔音、高隔热性和高透光性，越来越引起人们的关注[8-10]。

　　Cotana等人将气凝胶玻璃与普通中空玻璃的保温性能在一间16m2的房屋中进行了对比，结果显示使用气凝胶玻璃可节约冬季取暖能耗50%以上[11]。

　　气凝胶玻璃的保温效果稳定，不易受玻璃密封效果及安装方式的影响。由于气凝胶为防火等级A1级，能极大延缓火灾中第2片玻璃破坏时间，提高玻璃防火减灾能力。气凝胶属于高应变速率强化材料，在爆炸中可以减弱冲击波，减小玻璃造成的二次损伤灾害。此外气凝胶具有较好的弹性变形能力，提升了窗户的抗风压性能，可将玻璃做的更大。采光气凝胶玻璃可以太阳直射光漫散射化，一方面消除眩光，另一方面改善室内光场均匀分布满足人眼正常的亮度值。另外，使用气凝胶玻璃还可以融合陶瓷彩釉技术或融合智能玻璃(电致变色、电加热玻璃、显示屏等)技术，获得建筑立面的美学效果和智能控制效果。

　　3.5 电致变色玻璃

　　电致变色玻璃能在没有遮阳设备或百叶窗的情况下控制日照，它颜色丰富，玻璃可变透明、蓝色、绿色、灰色等。定制的光分区策略可以使用动态控制来跟踪太阳的移动，让使用者在舒适的采光和阴影之间找到平衡。配合移动应用来调整色彩区域，可以在建筑物的任何地方为特定灯光效果保存预先设定的场景设置。电致变色玻璃还可以与楼宇自动化系统无缝集成来进行着色和清理。

　　3.6 双稳态智能调光玻璃

　　双稳态智能调光玻璃可以实现玻璃在雾态及透明态的双稳态保持，且无需持续通电，只需微小电流触发即可以毫秒级的速度在透明态与遮蔽态之间切换，可通过(太阳能充电)电池操作，免去安装电路布线等的需求与费用。

　　4 示范屋能耗计算

　　4.1 示范屋及基准建筑围护结构热工性能

　　该项目及基准建筑非透明围护结构热工设计参数如表1对比所示。根据《近零能耗建筑技术标准》中要求，基准建筑围护结构热工性能应符合国家标准《公共建筑節能设计标准》GB 50189-2015的规定。

　　示范屋及基准建筑窗户的性能指标如表2所示。

　　4.2 示范屋及基准建筑的耗热量需求

　　根据《近零能耗建筑技术标准》中的规定，为了保证冬季室内温度≥20℃的环境目标，利用德国被动房研究所开发的建筑能耗模拟软件PHPP对示范屋进行建筑能耗模拟后的结果显示，示范项目年供暖耗热量需求56〔kWh/(m2·a)〕。建筑得热共计约52〔kWh/(m2·a)〕，建筑热损失与得热的差值即为建筑本身年供暖耗热量需求。其中，通过各围护结构散失的热量共约108〔kWh/(m2·a)〕，示范屋及基准建筑通过各围栏结构散失的热量如图2所示。

　　4.3 示范屋建筑本体节能率(不包含可再生能源发电量)计算

　　根据《近零能耗建筑技术标准》中的规定，建筑的本体节能率不包括可再生能源，并且涵盖了建筑物内的主要用能设备能耗，包括供暖、通风、空调、照明、生活热水及电梯能耗，全面地反映了建筑用能设备产生的能耗。

　　示范屋中供暖及供冷均采用空气源热泵。冬季供暖能耗需求为1 5 853kWh，热泵供暖耗电量为8 927kWh，夏季供冷能耗为5 619kWh，热泵耗电量为2 444kWh。结合《近零能耗建筑技术标准》及建筑设计文件得出示范屋的不含可再生能源发电量的建筑能耗综合值如表3所示。

　　根据《近零能耗建筑技术标准》及《公共建筑节能设计标准》中对基准建筑的要求，基准建筑热源为燃煤锅炉，冷源为电制冷机组。由PHPP对基准建筑进行建筑能耗模拟后的结果显示，基准建筑的建筑能耗综合值如表4所示。

　　则根据《近零能耗建筑技术标准》中计算建筑本体节能率的方法得出示范屋的建筑本体节能率为51%。

　　

 

　　4.4 示范屋建筑综合节能率(包含可再生能源发电量)

　　《近零能耗建筑技术标准》中还对建筑的综合节能率做出了要求，建筑的综合节能率不光表现了建筑本身的用能能效，还考虑了了可再生能源对建筑能耗的影响。

　　示范屋中光伏瓦及光伏光热一体化每年的发电量为16 798kWh，则根据《近零能耗建筑技术标准》中计算方法可得示范屋包含可再生能源发电量的建筑能耗综合值为-11〔kWh/(m2·a)〕，进一步可得示范屋的建筑综合节能率为103%，建筑能耗综合值为负值且建筑综合节能率超过100%表示范屋光伏发电量高于建筑本身用于供暖、供冷、照明、生活用水及电梯所需用电量。

　　4.5 示范屋可再生能源利用率

　　图3所示为PHPP中计算出的1—12月光伏瓦及光伏光热一体化的发电量。二者年发电量总和为16 798kWh。

　　图4所示为PHPP中导出的1—12月生活热水需求量及光伏光热一体化热水的供给情况。光伏光热一体化年供给热水总量为2 278kWh，约占示范建筑年生活热水能耗需求的55%。

　　则根据《近零能耗建筑技术标准》中求可再生能源利用率的公式，可求得示范屋的可再生能源利用率为168%。

　　4.6 示范屋各能效指标的达标情况

　　通过表5中示范建筑与《近零能耗建筑技术标准》中对近零能耗建筑的规定的对比发现，示范屋完全达到了近零能耗建筑的要求。

　　5 结语

　　

 

　　通过对使用了大量气凝胶保温材料及可再生能源技术的示范屋的能耗模拟发现，得益于气凝胶保温材料优异的保温性能及空气源热泵、光伏瓦和光伏光热一体化对可再生能源的利用，示范项目达到了《近零能耗建筑技术标准》中对近零能耗非居住建筑的要求。

　　将气凝胶优越的导热系数、力学性能、防火性能、防水性能、光学性能及消音降噪能力融合到建筑保温材料上，是对传统保温材料的升级，也符合目前绿色建筑、超低能耗建筑的趋势及碳达峰的目标。但由于目前气凝胶类产品造价相比于传统保温材料偏高，且生产厂家较少，导致其市场应用并不是很广泛。因此要实现气凝胶在建筑节能领域的规模化应用，应着重解决气凝胶的快速制备及低成本的常压干燥，提高其经济性。随着未来产能的提升及国民经济的发展，推广速度有望加快，前景广阔。

　　10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.014

　　

 

　　参考文献

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