节能设计理念在住宅建筑设计中的渗透

刘劲

（华陆工程科技有限责任公司，西安710065）

1 房屋建筑设计中节能环保理念的应用

1.1 选材时的节能环保理念

材料是工程建设领域必不可少的要素，选择建筑材料时，要注重节能环保的理念，挑选质量良好且节能环保的材料，立足于项目所在地区的实际情况，选择最适宜的材料，最大程度上减少环境污染。自第二次科技革命之后，全球科技水平实现了突破式发展，多学科技术交织的背景下涌现出了一大批新型产品。从材料的角度来看，新型材料在生产成本、使用性能等方面都有着较大突破，以合理的方式应用于建筑工程中，在满足质量要求的同时还可起到减少能源损耗的效果。当然，新型材料的选择要避免盲目性，宜遵循就近选材的原则，以免因长距离运输而出现材料损耗问题。

1.2 利用好新型能源

基于科技水平的提升，大量新型节能材料相继被应用于建设工作中，与此同时，能源利用形式也发生了转变，以煤炭为代表的传统能源市场逐步缩减，新能源地位上升。但从我国国情来看，基础建设项目依然在大规模推进，能源短缺问题未得到实质性解决，且环境污染也尤为普遍，因此，建筑设计工作中要注重能源应用问题，如以合理的方式发挥出太阳能、风能的优势等。

2 硅基气凝胶在建材领域的应用

十八届五中全会提出的“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，首先就是要深入推进科技创新发展。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶材料列为《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始了对气凝胶材料的初步推广应用。2018年9月1日，我国第一个气凝胶材料方面的国家标准——GB/T 34336—2017《纳米孔气凝胶复合绝热制品》【1】正式实施。11月26日，国家统计局网站发布了《战略性新兴产业分类（2018）》（国家统计局令第23号），气凝胶及其制品被列入战略性新兴产业分类重点产品和服务项。12月3日，工业和信息化部、国防科工局联合发布了2018年度《军用技术转民用推广目录》，纳米孔二氧化硅气凝胶岩棉复合保温板入围。《中国制造2025——中国建材制造业发展纲要》中，气凝胶被列入建材新兴产业。为进一步做好重点新材料首批次应用保险补偿试点工作，2019年12月3日发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》，自2020年1月1日起施行，气凝胶被列入前沿新材料。建筑室内外温差直接影响着建筑墙体内的表面应力，昼夜和四季周而复始地更替极易引起传统保温材料的开裂，产生“热桥”。硅基气凝胶材料凭借其优良的抗拉伸性能使这一问题得到充分解决，并逐步被广泛应用到现代建筑中。另外，由于硅基气凝胶材料不含可被紫外线老化的有机成分，绿色环保，耐候性好，使用寿命可长达30a以上。现阶段，气凝胶节能窗、气凝胶新型复合板材等都将成为建筑行业中尤为关键的材料。从物理性质角度来看，此类材料在热学、光学等方面都较为良好，是一类值得被广泛推广的材料，可为节能建筑领域的发展提供支持。而基于气凝胶的基本特性，也衍生出多种类型的材料。

2.1 气凝胶新型板材、真空绝热板

在硅基气凝胶的基础上经过技术改进后产生了具备高强度、高热阻特性的新型材料，较为典型的有气凝胶新型板材、真空绝热板等。若采取3cm厚度的形式，应用于空心砖墙制作中具有优良的节能效果，在相同制造规模下较传统技术可节能62.9%，保温效果远超出现阶段的节能要求。此外，此类材料的应用还可有效减小砖墙的厚度。

2.2 气凝胶复合玻璃棉保温板

基于纳米硅基气凝胶材料的应用，可解决玻璃棉材料过厚的问题。其中，以气凝胶绝热板较为典型，此类材料已经在建筑保温领域取得较好的应用效果。采用气凝胶隔热板，可显著提升保温隔热性能，在相同条件下相较于传统材料而言可提升2～5倍，且其还兼具抗拉、防水等特点，材料的热稳定性好，在多种场景中都具有可行性。

2.3 柔性隔热毡

将硅基气凝胶气凝胶作为基础材料，采用特定的工艺方法制得柔性隔热毡具，其具备密度小、防水效果优良、柔性高等多重特点。目前，国内的建筑外墙保温大多采用硬质聚氨酯材料，该材料为阻燃型，一旦引燃会持续燃烧，释放有害气体，造成灾难性事故。气凝胶复合板材厚度薄，防火憎水，是聚氨酯材料的理想替代品。

2.4 采光隔热板

选取半透明气凝胶颗粒，通过与玻璃钢材的混合，可以形成具备优良性能的采光隔热板，其具备透光率高、隔热效果好、无毒、无害的特点，是建筑领域的重要材料，常见于大型剧院、会议中心等建筑项目中。

2.5 气凝胶节能玻璃

选取双重玻璃，向其内部填入透明保温材料，此工艺的应用可解决玻璃层传热的问题。由于气凝胶材料仅存在一些微小的孔结构，相比可见光波长而言明显偏小，加之其抗压强度较高，可发挥出平衡外界气压的作用，因此，气凝胶玻璃的综合性能较好，在隔热的同时还具备优良的光学性能。此外，其还可有效阻燃，是一种环保、安全的新型建筑材料。

2.6 屋面太阳能集热器

现阶段，气凝胶的应用还延展到屋面太阳能集热器中。研究与实际应用情况均表明，太阳能集热器在民用领域具有优良的应用效果，能源得到了充分利用，可减少电能的损耗【2】。行业持续发展之下，纳米孔超级绝热材料面市，由于研究人员长期的努力，其在技术逐步成熟的同时成本也得到了有效控制，在太阳能集热器的构造中，硅基气凝胶是储水箱、集热器的主要材料，基于该材料的应用，解决了集热器系统集热效率偏低的问题，较传统方式可提高1倍，与此同时热损失大幅度下降。

3 硅基气凝胶保温隔热材料现存问题与解决思路

3.1 性能优势

传统的保温材料主要有硅酸铝材料、玻璃纤维材料、岩棉材料等，在施工性能、防水性能等方面差别不大的情况下，气凝胶新材料与上述材料比较，在导热性能、使用寿命、外形尺寸等方面均有较大的优势。

与传统保温材料相比，气凝胶具有十分明显的优势，主要体现在：（1）隔热效果是传统隔热材料的2～5倍，高温下优势更明显，而且寿命更长；（2）材料整体憎水，可有效防止水分进入管道、设备内部，同时具有A级防火性能；（3）质轻，容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温，且安装所需时间及人力更少；（4）更小的包裹体积及更轻的质量可大大降低保温材料的运输成本；（5）对设备进行保温的同时，还可以起到吸声降噪、缓冲震动等功能，提高环境质量，保护设备；（6）仅需1/2～1/5的厚度即可实现与传统材料相同的隔热效果，热损失非常小，空间利用率高【3】。

3.2 超临界技术的优势

超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶的技术，已经较为成熟，也是目前国内外气凝胶企业采用较多的技术。超临界干燥旨在通过压力和温度的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，形成一种超临界流体，处于超临界状态的溶剂无明显表面张力，从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构。对于超临界干燥，二氧化碳是首选的物质。因为其临界点的温度压力比较容易达到，而且二氧化碳无毒，使用安全。超临界二氧化碳萃取干燥可使干燥时间进一步缩短，操作费用大幅度降低。但操作过程中要保证体系的操作温度和压力在二元混合物的临界点上方。原因在于，在临界曲线上方，溶质和二氧化碳完全互溶，不存在表面张力。

超临界流体干燥技术有一个显著的特点就是在干燥过程中（即脱除水或其他溶剂的过程），由于重新建立了二氧化碳与被脱除物质的相平衡关系，可以将残存的被脱除溶剂最大限度地移出材料。同时，因超临界条件下不存在表面张力，即干燥被干燥物料不存在因毛细管表面张力作用而导致的微观结构的改变，因此，可以得到粒径很小且分布均匀的纳米颗粒。超临界干燥的另一特点是干燥温度低，不破坏任何有效成分。

超临界干燥中，气-液界面消失，表面张力不复存在，避免了干燥应力对物质结构的破坏，因此，超临界干燥可以保持完整的凝胶网络结构，所制备气凝胶性能优异。而采用二氧化碳作为超临界干燥介质时，工艺条件温和、环保，可以大大降低干燥温度，从而有效降低干燥过程中存在的危险和能耗。

3.3 成本

气凝胶已经成为当前建筑领域极为关键的一类材料，常用的超临界干燥技术采用的二氧化碳廉价、来源广泛，且在生产过程中易分离回收、循环使用，可大幅度降低成本。根据上文的分析可以得知，使用液态二氧化碳为溶剂的超临界萃取工艺有着工艺路线简单、凝胶网状结构更稳定的优势。但还需要在大规模生产中解决成本等问题，才能够有效推动气凝胶的发展，使其更为广泛地应用于建筑材料中。

4 结语

节能保温是当前乃至未来建筑事业的主要追求目标，基于行业技术的进步，将涌现出一系列新型材料，成为提高建筑节能水平的重要基础。选取廉价原材料，经过表面修饰、复合工艺等相关途径后，可制得气凝胶复合保温材料，因其具备节能、隔热、无毒害等多重特性，成为建筑领域的关键材料。当然，诸如成本高、批量生产难度大等问题依然存在，因此，仍需付出努力，为全面推动节能建筑事业的发展助力。