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中国保温防水展

气凝胶在建筑节能领域的应用方法及效果

2017-04-13

  气凝胶不同于我们传统思维中的“胶”,它是一种固体物质形态,目前最轻的硅气凝胶密度仅为3kg/m3,因其密度极低,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”,曾获得吉尼斯纪录“世界上最轻的固体”称号。最早是在1931年,由S.Kistler采用超临界干燥方法成功制备出SiO2气凝胶。由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间,玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。

  而随着建筑节能要求的提高,倒逼企业对传统保温材料进行技术创新或研发新型高效的保温材料,气凝胶作为世界公认的最好的保温材料,在建筑节能领域掀起了一场全新的变革。

  1.气凝胶在节能门窗的应用

  就目前典型的建筑围护结构而言,通过门窗损失的热量约占建筑总的热量损失的40%~50%,并且随着人们居住环境的提高,门窗面积还要不断增加,节能玻璃的应用对整个建筑节能将起到重要的作用。气凝胶节能玻璃相对真空玻璃、夹层玻璃等传统节能玻璃有着诸多优点。

  科学家通过仿真模拟,将其制备的真空气凝胶玻璃替换三层充氩气中空玻璃安装于建筑门窗上。其模拟实例为处在丹麦气候的居民住宅,其中两栋符合丹麦保温建筑标准,另两栋复合丹麦节能建筑标准(房屋取暖耗能<15kwh/m2/a)。通过计算房屋的年取暖耗能量来比较两种玻璃的节能性能。普通居民住房相对中空玻璃气凝胶玻璃年节能量为1180kwh/a,约19%,而在节能住宅中这一数字是700kwh/a,占到了总耗能的34%。真空气凝胶玻璃不仅更节能也有非常不错的视觉效果。

  2.气凝胶在建筑管道中的使用

  气凝胶毡具有超高隔热性和疏水性等优点,是一种理想的管道保温材料。下图是气凝胶毡管道保温层的结构,紧贴管道第一层的为卷绕管道的气凝胶保温毡,该层为保温结构的主要保温层,外层为金属保护层和绑带,提供了机械和户外风吹日晒雨淋的防护,如果卷绕多层气凝胶毡可采用错位搭接方式提高保温性能。

  气凝胶毡有较好的柔性与抗拉、抗压强度,施工方便快捷,另外气凝胶毡的整体疏水性使其在整个使用周期导热系数几乎没有变化。与传统保温材料相比,气凝胶保温结构保温性能明显好于其他材料。根据美国阿斯彭公司的估算,平均每公里的高温蒸汽管道在使用中仅能耗一项就可以带来250万美元的节省,而在建筑供热管道保温材料改造中,理想情况下一年左右即可以节省下改造所投入的成本。

  3.气凝胶板在墙壁和屋顶中的使用

  传统的墙壁和屋顶保温材料分为无机材料和有机材料,占据保温材料市场80%的有机保温材料聚苯泡沫板防火阻燃性不佳,无机保温材料如岩棉、玻璃棉等大多密度大且保温效果欠佳。气凝胶板具有低热导率、低密度、高阻燃性是墙壁和屋顶的理想保温材料。下图展示了目前常见的气凝胶板保温层,其中包括墙壁保温层和屋顶保温。该结构的主要保温层是气凝胶板,其导热系数在常温下可到达0.013w/m·k,几乎只有挤塑聚苯板的三分之一,更是远低于其它建筑保温材料,具有高效的保温隔热性能。气凝胶板还可以起到吸声降噪的功能,该结构还可以有效的阻绝噪声。此结构使用的气凝胶毡和板燃烧性能为A1级,为完全不燃性材料,解决了建筑保温与建筑防火无法共存的巨大矛盾。气凝胶毡或板密度低于200kg/m3,施工时方便的同时也减轻了整栋建筑的重量。

  4.气凝胶在涂料中的应用

  气凝胶粉体可以应用在涂料中,做成具有保温效果的保温涂料,起到补充保温作用。有研究人员分别以空心微珠、自制的SiO2气凝胶为隔热填料,添加到丙烯酸酯白色外墙涂料中制成隔热涂料,通过自制的测量装置测得SiO2气凝隔热涂料隔热性能明显优于空心微珠隔热涂料。还有研究人员用稳定剂爱利索TMRM825 对SiO2气凝胶进行改性并制备成浆料,以水性丙烯酸树脂为成膜物,在助剂的配合下制得水性纳米透明隔热涂料,结果表明玻璃涂覆膜厚为20~25μm时,涂膜有良好的机械性能,可见光透过率大于89%,透明性好,同时有较好的隔热效果。气凝胶涂料不仅可以应用在外墙体的保温中,还可以应用在建筑内墙保温和建筑顶部保温和建筑底部保温。2010年上海世博会零碳馆及万科实验楼应用了该种涂料,表明这种涂料具有突出的节能效果。

  作为混凝土添加剂气凝胶还可以用于降低混凝土的导热系数。国外的研究人员开展了混凝土基料中掺入不同量的疏水或亲水SiO2气凝胶粉末的研究,混凝土块的热导率随着SiO2气凝胶粉末含量的增加而减少,但抗压强度会有所降低,收缩率也会有所增大。据此特点可将添加SiO2气凝胶的混凝土用于非承重墙,或是作为粘结试剂使用的水泥砂浆。随着混凝土助剂的发展,可以加入助剂来补充损失的力学性能。

来源:中国建材报

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