气凝胶玻璃在不同气候区下对降低建筑采暖空调能耗的研究

黄冬娜

（广州市设计院集团有限公司，广东广州 510620）

0 引言

我国建筑能耗总量逐年上升，在社会终端能源消耗中的占比已超过20%，推动建筑节能有节约资源、保护环境、促进经济社会可持续发展等重要意义。公共建筑作为我国城镇化进程中资源、能源的主要消耗者，采暖空调能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～65%，因此降低建筑采暖空调能耗是决定建筑节能减排工作成效的重要因素。随着节能减排工作的推进，具有良好的隔热性、吸声特性和高透光性的二氧化硅气凝胶双层夹芯玻璃，越来越受行业内重视，其传热系数远远低于普通的双层玻璃，可以大大降低建筑热量流失，具有节能降耗的作用。

1 氧化硅气凝胶特性

二氧化硅气凝胶材料隔热性能优越，导热系数约为0.013～0.016W/（m·K），比空气0.024W/（m·K）的热导系数还要再低。二氧化硅气凝胶密度为3.55kg/m3，仅为空气密度的2.75倍，是目前密度最低的固体。在声学性能上，二氧化硅气凝胶声阻抗变化范围在103～107kg/m2·s之间，有实验表明，采用密度约为300kg/m3的二氧化硅气凝胶作为隔音材料，能使声强提高30dB，若采用具有密度梯度的硅气凝胶，可以获得更好的声强增益。在光学性能上，由于硅气凝胶的量子点结构，采用化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60形成的掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在[1]，具有较高的可见光反射率。同时，硅气凝胶的折射率约等于1，而且对红外光和可见光的湮灭系数的比值可以达100以上[2]，可以在保证透过太阳光中的可见光部分，并有效地隔绝红外光，是一种理想的透明隔热材料。

2 气凝胶在玻璃中的应用研究

A.S.Bahaj将气凝胶玻璃窗作为具有巨大发展潜力的玻璃窗技术，中空6+12a+6的双层玻璃窗的传热系数为1.4W/（m2·K），相同厚度下，25mm气凝胶玻璃的传热系数仅为0.57W/（m2·K），同时气凝胶玻璃透光率为45%，太阳能总透射率为43%。气凝胶玻璃具有高性能、低密度和较好透光性的特性尤其适合于购物广场和游泳池的采光屋顶[3]。

Schultz等把15mm厚的整块二氧化硅气凝胶夹入双层4mm超白玻璃中间，制成550mm×550mm超级隔热气凝胶玻璃，测得其中心位置的传热系数值为0.66W/（m2·K），整体传热系数值为0.72W/（m2·K），太阳能总透射率达76%；其中所使用的整块二氧化硅气凝胶在大气压下的热导率为0.017W/（m·K），在10～50hPa低真空下的热导率为0.010W/（m·K），厚度为15mm的整体二氧化硅气凝胶的太阳能透射率约为90%。他们最近的研究发现可通过增加气凝胶的厚度来降低气凝胶玻璃的传热系数，如厚度为20mm气凝胶玻璃的值可低于0.5W/（m2·K），同时具有高于75%的太阳能总透射率[3]。

3 气凝胶玻璃在五大热工分区对建筑能耗的影响

3.1 建筑模型

为了分析气凝胶胶玻璃对空调能耗的影响，选用Schultz测试的4mm超白+15mm气凝胶+4mm超白玻璃的复合玻璃为研究对象，取其传热系数为0.72W/（m2·K）。

采用了建筑能耗模拟分析软件DeST-C，以哈尔滨、北京、武汉、广州、昆明为例，建立模型，进行模拟计算。所取气象参数为中国标准气象参数（CSWD）。模型如图1所示，3层，层高3m，其中各个房间均设置为进深4m，开间3m的办公室，分朝向单个房间空调面积为13.64m2，总建筑空调面积982.08m2。

图1 建筑模型

在模拟的过程中，建筑物设置参数如表1所示，其中参数选取均根据《公共建筑节能设计标准》取值，采用全天空调（0：00—23：00）工况。

表1 热工参数

3.2 计算结果（见表2、图2、图3）

图3 节能率

表2 负荷计算结果

图2 总负荷比较

3.3 结论

（1）在五个热工气候区内，采用气凝胶玻璃的建筑采暖空调总负荷均小于普通标准玻璃的建筑采暖空调总负荷。

（2）在温和地区，采用气凝胶玻璃的建筑的采暖空调总负荷的节能率、采暖节能率和空调节能率均大于其他气候区，且空调冷负荷节能率大于热负荷节能率，气凝胶玻璃在温和地区具有良好的适用性。

（3）除了温和地区，其他热工分区均为热负荷节能率远远大于冷负荷节能率，尤其在寒冷地区和严寒地区，采用气凝胶玻璃的建筑空调冷负荷反而大于普通标准玻璃的空调冷负荷。这是由于在全天空调（0：00—23：00）工况，采用气凝胶玻璃的建筑由于较好的隔热性能，使建筑物夜间无法及时利用严寒地区和寒冷地区较为有利的室外条件进行散热，增加空调能耗。

4 结语

气凝胶玻璃在热工性能，隔声性能和光学性能均具有明显的优势，是未来外窗节能发展的主要研究对象。通过对采用气凝胶玻璃的建筑进行采暖空调能耗分析，得出除温和地区外，其他气候区空调冷负荷节能率远远小于采暖热负荷节能率，即采用气凝胶玻璃在降低建筑采暖能耗的方面具有良好的节能作用。由于模拟计算中采用公共建筑节能标准中的全天空调工况，使在严寒和寒冷地区采用气凝胶玻璃的建筑空调冷负荷反而大于普通标准玻璃的空调冷负荷，实际空调运行工况下采用气凝胶玻璃建筑在空调季中的节能效果还有待进一步模拟验证，但整体上，采用气凝胶玻璃的建筑在建筑总体采暖空调能耗方面具有节能效果。