节能保温材料在农村建筑设计中的应用研究

刘彩玲，刘 杰

（1 杨凌职业技术学院建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

随着我国乡村振兴战略的不断实施，在广大农村地区开展新型建筑设计的案例越来越多。这些新型农村建筑通过采用更为环保、保温节能效果更好的材料及采用更为环保的房屋建筑方式等，使其获得了更为优异的综合居住性能，是一种绿色建筑理念在农村建筑设计中的应用体现。在绿色环保农村建筑设计环节应用节能保温材料，是一种最直接、最高效地实现建筑节能保温的举措。传统的节能保温建筑材料指的是矿渣棉、岩棉、玻璃棉等材料。这些材料虽然具有一定的节能保温效果，但随着高分子复合材料在节能保温建筑材料领域开发程度的逐渐加深，聚氨酯、聚乙烯、酚醛树脂等建筑节能保温材料越来越多，基本已经取代了传统建筑节能保温材料。这些高分子复合材料除具有极为优异的节能、保温性能外，在防潮、抗菌、轻量化设计等方面也具有明显优势。这些材料目前多应用在城市建筑中，而在农村建筑设计领域的应用尚且不多。因此，本文针对乡村振兴背景下节能保温材料在农村建筑设计中的应用进行研究，旨在为农村地区绿色建筑设计提供借鉴。

1 节能保温材料分类与性能分析

1.1 材料分类

传统的保温材料通常指的是热系数≤0.12的一类材料[1]。较为具有代表性的传统保温材料有硅酸铝纤维、珍珠岩保温材料、发泡保温材料等。随着我国建筑行业能耗规模的不断增长，传统保温材料在节能方面的劣势逐渐显现，保温材料被赋予了更多节能、降耗等方面的使命。根据不同的分类方法，目前农村建筑节能保温材料可以被分为有机、无机、金属类，松散型、板状、整体结构型等种类，如图1所示。

图1 建筑节能保温材料分类Fig. 1 Classification of energy saving and thermal insulation materials

图1所示的几种农村建筑节能保温材料中，高分子材料本身种类较为丰富，可以根据建筑设计具体需求对材料进行针对性开发，从而获得性能更为优异的材料。因此，近年来以高分子材料为基础开发的新型节能保温材料越来越多。这些高分子建筑节能保温材料除了能够为建筑提供良好的保温效果外，还可以利用太阳能、风能等为建筑提供一定的储能作用。因此，本文以高分子材料为例，对乡村振兴背景下农村新型建筑设计中的几种典型节能保温材料进行论述。

1.2 性能分析

1.2.1 传统高分子节能保温材料

传统高分子节能保温材料经历了约四个阶段的发展，各个阶段均有较为典型的代表案例，如图2所示。

图2 传统高分子节能保温材料发展历程Fig. 2 Development history of traditional polymer energy-saving thermal insulation materials

传统高分子节能保温材料在第一阶段的代表材料有硬质聚氨酯泡沫塑料等。该材料热导率仅有0.020W/(m• K)，经过10~20年时间的老化以后，材料的热导率通常会上升到0.023W/（m•K）左右[2]。与一般的保温材料相比，硬质聚氨酯泡沫塑料的闭孔率通常高于90%，且在泡沫内部能够进行CO2等的填充剂填充。因此，材料的防水、防潮、隔热保温性能等均较为良好。

传统高分子节能保温材料第二阶段的典型代表材料为聚苯乙烯保温材料。聚苯乙烯保温材料的热导率通常可以控制在0.027~0.028 W/(m•K)之间。目前聚苯乙烯保温材料在农村绿色建筑设计中的应用占比高达85%[3]，是最为常见的农村建筑节能保温材料之一。聚苯乙烯与石墨等材料复合以后，能够获得良好的吸振、防潮和化学稳定性。

传统高分子节能保温材料第三阶段的典型代表材料为酚醛树脂保温材料。该材料与第一、第二代节能保温材料相比除同样拥有良好的热导率外，在阻燃性、低毒性等方面具有更为明显的性能优势。酚醛树脂保温材料通常还会与膨胀珍珠岩、麦芽糊等材料进行复合加工，得到性能更为突出的节能保温材料。例如，纳米二氧化硅粒子对酚醛树脂进行改性以后，可以得到冲击强度更高、阻燃性能更好的节能保温材料。

传统高分子节能保温材料第四阶段的典型代表为相变高分子保温材料。这种保温材料主要以固相-液相相变材料为主。这种固-液相变材料能够实现建筑节能保温的原理为：在建筑所处环境温度高于材料本身的相变温度以后，保温材料的状态会由固相转变为液相，此时材料会产生吸热效果；反之则由液相转变为固相，此时材料会产生散热效果。最常见的相变节能保温材料为石蜡与聚烯烃、聚丙烯纤维等材料共混形成的保温材料。这种材料的相变温度通常为20~60 ℃之间，热导率通常在0.063W/(m•K）左右[4]。虽然材料本身热导率并不理想，但由于材料的相变潜热可以达到116~145 J/g，因此仍然可以为我国多地农村地区绿色建筑提供良好的节能保温效果。

1.2.2 新型节能保温高分子材料

传统的高分子节能保温材料大多数情况下仅能为建筑提供较为理想的隔热、防潮、阻燃等功能，在储能、节能等方面的表现并不突出。而对于未来的农村建筑绿色设计工作而言，如何利用材料本身的性能优势，实现农村建筑物的节能、储能等工作，正逐渐成为材料开发与应用领域的重点。新型节能保温高分子材料的功能开发便主要集中在储能、节能两个视角。

图3所示是一种典型的储能高分子材料——聚合物太阳能电池。与传统的单/多晶硅太阳能电池相比，这种以聚合物为基质材料开发的聚合物太阳能电池材料具有污染小、造型可塑性强等优点。

图3 聚合物太阳能电池Fig. 3 Polymer solar cell

据目前有关实验显示，以聚对苯乙炔为电子给体制备而成的聚合物太阳能电池光点转化效率能够达到4%~5%；以双层P/N异质结型聚合物制备的太阳能电池器光电转化率能够达到7.9%左右[5-7]。与传统的太阳能电池板相比，聚合物太阳能电池以生产成本低、光电转化率高等优势成为农村绿色建筑设计中应用前景极为广阔的储能型高分子材料。利用材料的这一特征，可以将聚合物太阳能电池加工成墙体、玻璃遮阳板、屋顶等结构，以光能转化后的电能为墙体提供加热、制冷等功能。

图4所示是另外一种典型的新型高分子节能保温材料——环境敏感型聚合物材料。这种材料是以热致变色材料为基础材料，当材料达到相转变温度条件时，聚合物的内部结构、颜色、外观等都会发生变化，从而利用不同温度下对光、空气中热量的吸收或反射达到提升或降低屋内温度的目的。环境敏感型聚合物材料是一种典型的节能高分子复合材料。

图4 环境敏感型聚合物材料Fig. 4 Environmentally sensitive polymer materials

2 农村建筑节能保温材料应用

2.1 农村建筑对节能保温材料的个性化需求

据有关数据显示，我国当前约有超过95%的农村建筑没有保温层且建筑整体厚度较薄，直接导致我国农村地区建筑供暖能耗高出城市地区建筑1.5~2倍左右[8-10]。与高速发展的现代化城镇相比，我国农村地区存在面积广、农宅数量多、经济基础薄弱、农民节能意识较差等问题。这些问题的存在给农村建筑节能保温材料的应用带来了不小困难和阻力，也形成了农村地区不同于城镇地区的建筑节能保温材料使用需求。

首先，安全实用。农村建筑设计所使用的节能保温材料要求具有一定的环保性，既能够保障室内居住人员的身心健康，又能够降低因建筑施工等行为对农村自然环境造成危害。

其次，节能降耗。农村建筑设计所使用的节能保温材料要能够切实达到帮助农村居民降低因制冷或取暖而带来的过度能耗，拉低农村建筑与城镇建筑之间的能耗差距。

最后，经济美观。在能够保证农村建筑一定美观性的同时，要求尽量降低节能保温材料带来的经济压力，某些性能极为优异但是价格高昂的新型高分子节能保温材料并不一定适合农村地区的实际需求。

2.2 农村建筑节能保温材料具体应用

2.2.1 外墙结构

农村建筑外墙结构中对高分子节能保温材料的应用主要体现在外墙外保温、外墙内保温及复合墙体保温三种形式。

首先，外墙外保温，即通过在农村建筑外墙的外部安装高分子复合材料保温层的形式来达到隔热、拒水、阻燃等目的，从而在降低建筑物能耗的同时延长建筑物的使用寿命、增强建筑物的美观程度等。目前适合农村地区使用的外墙外保温材料大多数属于传统高分子节能保温材料，尤其第二代聚苯乙烯保温材料的应用前景最好[11]。这是因为聚苯乙烯保温材料的价格适中，隔热、拒水、阻燃等性能也较为理想。尽管该材料在储能等方面不具备明显优势，但由于农村建筑外墙面积较大，若使用环境敏感型聚合物材料带来的成本过高，一般农村居民难以承受。

其次，外墙内保温，即在农村建筑物外墙的内部安装保温的高分子复合材料层，使墙体本身的隔热性能得到提升。外墙内保温施工需要格外注意冷凝问题给建筑带来的影响。因此，可以酌情考虑使用一定比例的相变材料作为外墙内保温材料。相变材料的存在能够很好地平衡建筑内外部温差，不至使农村建筑在较大的室内外温差环境下形成大量的冷凝水。

最后，复合墙体保温，即将高分子复合材料与混凝土、砌块等材料进行复合加工而成的外墙结构。这种复合材料墙体本身以特殊工艺加工而成，各种材料的混合工艺与一般的混凝土墙体或高分子复合材料墙体相比更为复杂。通常的施工方法都是采用橡胶粉状聚苯乙烯颗粒作为保温浆体与钢筋混凝土、砌块进行混合，在墙体内部形成一种无空腔的保温层，达到节能、隔热、拒水等目的。

2.2.2 屋顶结构

农村建筑屋顶结构基本可以分为坡状结构和平顶结构两大类。其中，坡状屋顶的导水性能相比于平屋顶更为良好，因此坡状屋顶在使用高分子节能降耗材料时可以选择某些拒水性能一般但是其他性能突出的材料，如酚醛树脂保温材料等[12]。可以将这些高分子复合材料加工成隔热层基材或薄膜置于屋顶防水材料下，使农村建筑屋顶具有更好的隔热效果。此外，由于坡状屋顶的结构特性，还可以在屋顶铺设聚合物太阳能电池保温材料等，实现屋顶结构的节能、降耗和保温功能。

2.2.3 门窗结构

高分子复合材料门窗是一种通过拉挤成型工艺制备而成的门窗。由于树脂材料本身的导热系数较金属材料更低（约为钢材的1/350，铝合金的1/l000）[13-14]，因此，这种复合材料门窗结构的保温效果明显好于传统的金属材质门窗。此外，与传统的金属门窗相比，这种以高分子树脂材料为基础材料制成的门窗结构在机械性能、耐老化性能等方面均具有明显优势。

3 结语

农村绿色建筑设计与施工，是乡村振兴背景下新农村建设的重要环节。本文以高分子复合材料为例，对节能保温材料的性能优势及农村建筑中的应用场景进行总结，认为不同的高分子节能保温材料性能差异、价格差异均较大，在农村地区并不一定必须追求材料的新颖程度，经济性、实用性较为平衡的节能保温材料最能满足农村地区建筑设计实际需求，在实际的使用过程中应尽量以这类材料为主开展农村建筑设计与施工。