建筑保温隔热材料的研究及应用进展.pdf

第 2 8卷，总第 1 6 2期 2 0 1 0年 7月，第 4期 节 能 技 术 ENERGY CONS ERVAT1 0N TECHN0L0GY Vo 1 2 8，S u mNo 1 6 2 J u 1 2 0 1 0，No 4 建筑保温隔热材料的研究及应用进展 彭程。吴会军，丁云飞(1 广州大学土木工程学院，广东 广州 5 1 0 0 0 6；2 广州大学建筑节能研 究院，广 东 广州 5 1 0 0 0 6)摘要：建筑隔热保温是实现建筑节能和降耗减排 的重要手段。对几种常用保温隔热材料的 分类与发展进行 了概述和评价，着重介绍 了新型气凝胶保温隔热材料 的特性与研 究进展。概述 了 气凝胶超级隔热材料在建筑隔热保温中的应用进展，并对其建筑节能应用前景进行 了展望。关键词：保温隔热材料；气凝胶；建筑节能；纳米材料 中图分类号 T U 5 5 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 6 3 3 9(2 0 1 0)0 4 0 3 3 2 04 Adv a n c e s i n t he S t u dy a n d Ap p l i c a t i o n o f The r ma l I ns u l a t i o n M a t e r i a l s f o r Bu i l d i n g Effi c i e n c y P E N G C h e n g ，WU H u i j u n ，D I N G Y u n f e i (1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g，G u a n g z h o u U n i v e r s i t y，G u a n g z h o u 5 1 0 0 6，C h i n a；2 B u i l d i n g E n e r g y R e s e a r c h I n s t i t u t e，G u a n g z h o u U n i v e r s i t y，G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e r ma l i n s u l a t i o n wa s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t t e c h n i q u e t o i mp r o v e b u i l d i n g e ffic i e n c y a n d r e d u c e c a r b o n e mi s s i o n T h e d e v e l o p me n t o f s e v e r a l c o mmo n t h e rm a l i n s u l a t i o n ma t e ri a l s w a s i n t r o d u c e d T h e n e w t y p e o f h i g h l y e ffic i e n t t h e rma l i n s u l a t i o n ma t e ri a l(v i z a e r o g e l s)w a s f o c u s e d o n i t s c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e s e a r c h d e v e l o p me n t Th e a pp l i c a t i o n o f t h e a e r o g e l s i n t h e bu i l d i n g t h e rm a l i n s u l a t i o n wa s r e v i e w e d a n d t h e p r o s p e c t i n b u i l d i n g e ffic i e n c y w a s e s t i ma t e d Ke y wo r d s：Bu i l d i n g e n e r gy s a v i n g；a e r o g e l s；t h e rm a l i n s u l a t i o n；n a n o ma t e r i a l s 资源、能源和环境 问题是制约我 国经济和社会 发展的三大考验，建筑能耗(包括建造能耗、生活能 耗、采暖空调等)是我 国能源消耗 中的重要组成部 分，约占全社会 总能耗 的 3 0 ，其 中最主要的采暖 和空调能耗 占到 2 0 ，因此，建筑 节能潜力巨 大，对于节约能源、降低碳和其他有害物质的排放以 及实现可持续发展具有非常重要 的作用。目前，国 收稿 日期2 0 1 0 0 43 O 修订稿 日期2 0 1 0 0 5一l l 基金项 目：国家 自然科学基 金(5 0 9 0 6 0 1 4)；广 州市高 校科技计 划项 目(0 8 C 0 5 2)作者简介：彭 程(1 9 8 8)，男，硕 士研 究 生，研 究 方 向为 建筑 节能。3 3 2 家对于建筑节能材料和节能改造技术非常重视，相 继出台了一批节能法规和政策 以推进建筑节能改造 的实施。其中建筑保温隔热材料用于减少建筑室内 向外环境的热损失，可有效降低建筑空调负荷和空 调能耗，是构建节能建筑和实施节能改造 的重要组 成部分。本文对几种常用建筑保温材料的隔热特性 和经济性进行了对 比和评价，并着重介绍 了新型气 凝胶隔热保温材料在建筑隔热和节能中的应用进展 和发展前景。1 常用建筑保温隔热材料的分类及发展 建筑保温隔热材料种类繁 多，根据保温隔热材 料在围护结构的使用部位不同，可分为内、外保温隔 热材料；根据保温隔热材料的形态可分为板块状和 浆体状保温隔热材料；根据保温隔热材料的材质可 分为有机和无机保温隔热材料等。其中，矿物棉、膨 胀珍珠岩、泡沫塑料等是较为常用的建筑隔热保 温 材料。1 1 矿物棉保温隔热材料 1 8 4 0年英国首先把溶化的矿渣喷吹后形成纤 维生产出矿渣棉，并用作建筑保温 隔热，至今 已有 1 6 0余年的历史。国内的矿物棉研制和生产始于 1 9 5 8年，而 1 9 7 8年北京新材总厂从瑞典容格公司 引进年产 1 6 3万吨岩棉生产线，揭开了国内矿物棉 工业生产的序幕。9 0年代 由于建筑节能和墙 改工 作的推进，矿物棉应用越来越普及。矿物棉是一种优 良的保温隔热材料，按照所用 原料的不同，分为岩棉和矿渣棉两种。矿物棉 及其 制品在建筑和其他工业上的应用，以其优 良的保温 隔热和显著的经济效益引起人们关注。除矿物棉类 材料的保温隔热性能外，岩棉类材料还具有防火特 性，矿物棉具有很好的吸声和隔振效果，因此矿物棉 类材料广泛用于早期 的工业和建筑保温隔热。但矿 物棉类材料不同程度地含有沥青、胶或其它有机物，容易产生有害物质而污染环境，而且矿物棉材料强 度低，作为维护结构的保温隔热层时易塌陷，而且生 产加工工艺复杂，逐渐被其它材料所替代。1 2 膨胀珍珠岩保温隔热材料 作为保温隔热材料 的珍珠 岩工业性生产始 于 1 9 4 6年美国的亚利桑那，我国的膨胀珍珠岩则在 6 0 年代末 由大连耐火材料厂开始生产 4 J。膨胀珍珠 岩是一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产，包 括珍珠岩、松脂岩和黑曜岩，三者只是结晶水含量不 同。由于在 1 0 0 01 3 0 0 o C高温条件下其体积迅速 膨胀 43 0倍，故统称为膨胀珍珠岩。常温导热系 数 0 0 2 4 50 0 4 8 W(m K)，高 温 导 热 系 数 0 0 5 80 1 7 5 W(r n K)，低温导热 系数 0 0 2 8 0 0 3 8 W(m K)，最 高使用温度 8 0 0。用作 高效 保温、保冷填充材料。膨胀珍珠岩材料的容重小、导热系数低，耐火和 隔音性能好，而且无毒，它是一种价廉的保 温材料，主要用作建筑保温抹灰料、轻质砼骨料、墙体松散保 温填料、制造纤维增强砼板、保温地板 以及石膏珍珠 岩砼整体屋面板、板材等 J。但膨胀珍珠岩具有很 强的亲水性，由于水的导热系数远高于膨胀珍珠岩 材料，吸水后会导致其保温隔热性能急剧下降；同时 膨胀珍珠岩为无机多孔物质，易破碎，在运输过程可 能由于挤压或撞击而造成破碎，使其密度增加而导 致保温性能下降。因此在保温隔热应用时需要对膨 胀珍珠岩进行疏水和增强处理。1 3泡沫塑料保温隔热材料 泡沫塑料作为一种重要 的有机保温隔热材料，主要有聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料两种。聚氨酯泡 沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料均在本世纪 3 0年代问 世，我国聚氨酯泡沫塑料和聚苯 乙烯泡沫塑料的生 产则分别始于 5 0年代末和 6 0年代。其 中聚苯乙烯 泡沫塑料是 目前使用最为普遍 的一种保温 隔热材 料，具有保温隔热性能好、质轻、吸声等特性，尤其适 合寒冷地区的保温。当用聚苯乙烯泡沫板作为保温 层、用聚合物砂浆作为面层时，应该使用玻璃纤维网 络布或钢丝 网作为外保温层的加强材料，但这样容 易导致热桥产生且保 温墙面容易产生裂缝，为控制 保温墙面产生裂缝，通常选用耐碱玻璃纤维网格布，且在保温层上先用弹性水泥砂浆抹 3 5 m m厚，然 后将网格布用铁抹子及时压砂浆之中 6 ；又因为聚 苯乙烯泡沫塑料用作外墙保温时需要用特殊粘结剂 和耦合剂将板材粘结在外墙上，再经过若干道工序 处理，施工十分复杂。而且有机材料与砖墙结合较 为困难，施工中稍有疏忽就会造成空鼓、脱落而带来 事故隐患。另外泡沫塑料制品抗老化能力差，使用 寿命在 2 0年左右，废 弃材料不能降解而造成 白色 污染。表 1 对矿物棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等几种常 用保温隔热材料 的性能进行 了对 比。需要注意的 是，由于水的导热系数远高于多孑 L 的保温隔热材料，保温隔热材料吸湿后导热系数会急剧升高而导致其 保温隔热性能的下降。因此，吸湿性能对保温隔热 效果影响很大，在保温隔热应用 时应注意防潮或者 预先对保温隔热材料进行疏水处理。表 1 几种常用保温 隔热材料 的性能对 比 2 新型纳米气凝胶保温隔热材料的研究与 发展 随着纳米技术 的飞速发展，气凝胶作为一种新 型的轻质纳米多孔性固态材料越来越引起人们的重 视 _ 9 。它被认为是 目前质量最轻、隔热性能最好 的固态材料，常温下热 导率可低至0 0 1 3 W m K，3 3 3 孔隙率可高达 9 9，比表面积高达 1 0 0 0 m g，密度 可低至 0 0 0 3 g c m ，同时还具有良好的吸声和减震 等性能，具有其他隔热材料不可比拟的优越性。对于气凝胶等高孔隙率多孔材料，其传热过程 包含三种传热机理：通过气凝胶固体骨架和内部孔 隙的热传导、对流传热和辐射传热 U 1“j。气凝胶的 网络胶体颗粒尺寸为 32 0 n m，孔径小于空气分子 的平均 自由程(5 0 6 0 n m)，因而在气 凝胶孔 内没 有空气对流；而且气凝胶具有极高的孔隙率，固体所 占体积比很低，导热系数小；同时气凝胶的多孔网络 结构对热辐射具有“无穷隔热板效应”，对热辐射 的 遮挡效率很高，这使得气凝胶成为 目前世界上热导 率最低的固体材料，是一种具有 良好保温隔热性能 和广阔应用前景的新型材料。气凝胶材料具有非常高的孔隙率和多孔网络结 构，但其强度低韧性差，制约了其在工程中的广泛应 用，对于气凝胶的增强和增韧处理成为亟需解决的 问题。N i c h o l a s 使用异氰酸酯对 S i O：气凝胶进行 了修饰，修饰后气凝胶强度是纯 S i O 气凝胶的 1 0 0 倍。张贺新 等 用碳 纳米 管作 为添 加物 来改 善 S i O 气凝胶本身的脆性，研究发现碳纳米管在 S i O 气凝胶中可起到骨架的支撑和桥联作用，在一定程 度上改善了气凝胶的韧性。董志军等 将短切莫 来石纤维渗入 S i O 凝胶 网络，发现掺人 3 的莫来 石纤维，可有效提高气凝胶的弹性模量和机械强度。出用于屋面绝热的新型建筑用气凝胶玻璃，这种材 料不但满足绝热性能的要求，也满足光学性能的要 求。另外，由于气凝胶能有效地透过太阳光，并阻止 环境温度的红外辐射，因此是一种理想 的绝热透 明 太阳能采暖材料。加之气凝胶有足够 的抗压强度，能平衡外界气压，把它作为双层玻璃中填充的保温 材料，制备 出气凝胶节能窗，由于透光性好且隔热，得到广泛应用。丹麦的 J e n s e n 等人在玻璃 中间 充人 1 5 m m的硅气凝胶使 中心 的热损失 系数小于 0 7 W m K，透光率达 7 6。3 2 气凝胶新型板材 K a l w a l l 公司 利用先进的生产技术成功地设 计了一种透光率为 2 0 ，传热系数仅为 0 0 5 W m K的新型板材，该板材是 以 N a n o g e l 材料为填充 内 核的复合结构夹芯板，称为 N a n o g e l 夹芯板，该公司 制作 的新型屋顶天窗系统，在加强透光性的同时，并 没有在其隔热层内产生通风效应，同时也不会损失 热量。3 3 屋面太阳能集热器 把气凝胶用于太 阳能集热器的储水箱、管道和 集热器，可使其集热效率 比传统太 阳能集热器提高 一倍以上，且热损失下降 3 0 左右。气凝胶用 于荧光太阳能集热器具有塑性材料无法 比拟 的优 点I 24 ，如气凝胶具有良 好的热稳定性和光学稳定性 及紫外 一 可见区良好 的透光性。3 气凝胶保温隔热材料在建筑中的应用 4 结语 由于前期气凝胶 的生产工艺较为复杂，造价偏 高，气凝胶的应用还限于航空航天等高端领域，但随 着气凝胶研究的深入和制备技术的发展，目前也逐 渐开始应用于建筑保温隔热领域。由于气凝胶具有 优越的保温隔热性能和吸声减震等特性，用作保温 隔热材料在建筑节能领域具有很好的发展和应用潜 力，如气凝胶节能窗、气凝胶新型板材和屋面太阳能 集热器。3 1 气凝胶节能窗 气凝胶是 目前 隔热性能最好 的固态材料，因此 被广泛应用 于各 种特殊 的窗 口隔热 体系。F r i c k e 等 1 5,1 6 发现硅气凝胶制备的双层 隔热窗热导率低 于 0 0 0 2 W m K，用该材料制得的特种玻璃，其保 温性能 是 同样 厚 度普 通 泡 沫 塑 料 的 4倍 博 。2 0 0 0年俄罗斯一家公司开发出一种从外观和透明 度看都与普通玻璃相似的新型气凝胶玻璃，由于 它耐热性极高，阻燃，抗放射性辐射，还可以调色和 吸音，广泛应用 于建 筑材料领域。R e i m等 研究 3 3 4 建筑 中常用隔热保温材料由于在防水性或防火 性方面的缺陷，限制了其进一步的发展和应用。随 着纳米技术的不断发展，气凝胶 以其超级隔热和保 温性能及 良好的疏水特性 引起了广泛 的重视，成为 保温隔热材料的研究热点，尽管 目前由于气凝胶的 成本较高限制了其保温隔热应用，但可以预见随着 气凝胶制备技术的进一步发展和气凝胶保温隔热材 料经济性的提高，气凝胶保温隔热材料必将获得广 泛的应用，为节能降耗减排 和社会可持续发展发挥 更大的作用。参考文献 1 中华人民共和国建设部主编 公共建筑节能设计标 准(G B 5 0 1 8 92 0 0 5)M 北京：中国建筑工业 出版社，2 0 05 2 王立久，孟多 有机相变材料的建筑节能应用和研 究 J 材料导报，2 0 0 9，2 3(1)：9 71 0 0 3 张玉祥 矿物棉及其制品概况及发展政策与措施 J 新型建筑材料，1 9 9 6，(4)：2 1 2 7 4 柳晓春 保温隔热材料发展及建筑应用 J 福建建 材，1 9 9 7，(4)：1 8 2 1 5 李湘州 我国节能型建材简介 J 节能技术，1 9 9 6，1 4(5)：2 1 2 2 6 王宏欣 节能保温墙体的技术要求及措施 J 节能 技术，2 0 0 2，2 0(5)：3 6 3 6 7 K i s t l e r S S C o h e r e n t e x p a n d e d a e r o g e l s a n d j e l l i e s J N a t u r e，1 9 3 1(1 2 7)7 4 1 7 4 1 8 l P e r i J B I n f r a r e d S t u d y o f O H a n d N H 2 G r o u p s o n t h e S u r f a c e o f a D r y S i l i c a A e r o g e l J J P h y s C h e m，1 9 6 6，7 0 (9)：2 9 3 72 9 4 5 9 何飞，赫晓东，李壶 气凝胶热特性的研究进展 J 材料导报，2 0 0 5，1 9(1 2)：2 0 2 2 1 0 Wu H J，F a n J，D u N T h e r m a l e n e r g y t r a n s p o r t w i t h-i n p o r o u s p o l y m e r m a t e ri a l s：E f f e c t s o f fi b e r c h a r a c t e ri s t i c s J J o u r n a l o f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e，2 0 0 7，1 0 6(1)：5 7 6 5 8 3 1 1 Wu H J，F a n J T，Q i n X H，e t a1 F a b r i c a t i o n a n d c h a r a c t e ri z a t i o n o f a n o v e l p o t y p r o p y l e n e p o l y(v i n y l a l c o h o 1)a l u mi n u m h y b ri d l a y e r e d a s s e mb l y f o r h i g hp e rf o r ma n c e fi b r o u s i n s u l a t i o n J J o u r n a l o f A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e，2 0 0 8，1 1 0 (4)：2 5 2 52 5 3 0 1 2 N i c h o l a s L，C h a r i k l i a S L，G u o h u i Z，e t a 1 N a n o e n g i n e e ri n g s t r o n g s i l i c a a e r o g e l s J N a n o L e t t，2 0 0 2，2(9)：95 79 60 1 3 张贺新，赫晓东碳纳米管掺杂 S i O：气凝胶隔热 材料的制备与性能表征 J 稀有金属材料与工程，2 0 0 7，3 6 (1)：5 6 7 5 6 9 1 4 董志军，李轩科 莫来石纤维增强 S i O：气凝胶复合 材料的制备及性能研究 J 化工新型材料，2 0 0 6，3 4(7)：5861 1 5 F r i c k e J A e r o g e l s h i g h l y t e n u o u s s o l i d s w i t h f a s e i n a t i n g p r o p e r t i e s J J o u r n al o f N o nC rys t al l i n e S o l i d s，1 9 8 8，1 0 (1 3)：1 6 91 7 3 1 6 C a p s R，F r i c k e J I nfr a r e d r a d i a t i v e h e a t t r a n s f e r i n h i g h l y t r a n s p ar e n t s i l i c a a e r o g e l J S o l E n e r g y，1 9 8 6，3 6(4)：3 613 6 4 1 7 方展和 第三步建筑节能对发展节能窗的机遇与 挑战 J 节能与环保，2 0 0 4，(1 2)：81 0 1 8 孙建平，徐冬梅 建筑节能窗技术进展 J 工业建 筑，2 0 0 4，3 4(7)：9 7 9 8 1 9 气凝胶玻璃 J 建筑材料工业信息，2 0 0 0，(7)：49 2 0 R e i m M，K o rne r W e t a1 S i l i c a a e r o g e l g r a n u l a t e ma t e ri a l f o r t h e rma l i n s u l a t i o n a n d d a y l i g h t i n g J S o l a r E n e r gy，2 0 0 5，(7 9)：1 3 1 1 3 9 2 1 J e n s e n K I，S c h u h z J M，K r i s t i a n s e n F H D e v e l o p-m e n t o f w i n d o w s b a s e d o n h i g h l y i n s u l a t i n g a e r o g e l g l a z i n g s J J o u r n a l o f N o nC rys t a l l i n e S o l i d s，2 0 0 4，3 5 0 3 5 13 5 7 2 2 王俊 气凝胶新型板材 J 建材工业信息，2 0 0 4，(9)：4 4 2 3 董文辉 S i O 纳米孑 L 超级绝热材料 J 中国非金 属矿工业导刊，2 0 0 6，(2)：1 0一l 3 2 4 F o l c h e r G，K e l l e r N，P a r i s J L u mi n e s c e n t s o l a r c o n c e n t r a t i o n u s i n g u r a n y l d o p e d s i l i c a t e g l a s s e s J S o l E n e r g y M a t e r，1 9 8 4，1 0(3 4)：3 0 33 0 7 (上接第 3 3 1页)层空气露点温度随着使用环境温度 的升高而升高；同一温度下，双层玻璃内层空气露点温度随着生产 车间相对湿度的增大而升高，且生产车间相对湿度 的变化对内层空气露点影响很大。因此，即使生产 双层玻璃也应该严格控制生产车间的温湿度。若双层玻璃露点温度若双层玻璃生产车间温度 为 2 5 ，相对湿度 6 0 ，则玻璃内层空气 的露点温 度为 l 6 7 c【=，此类窗户使用过程 中，当环境温度变 化时，夹层空气被密封且没有干燥剂吸附水分，也就 是说，当环境温度低于 l 6 7 q C时，双层玻璃 内层玻 璃上就会 出现结露现象。而 1 6 7 这一温度在我 国北方地区春、秋季节都 比较常见，更不用说冬季，因此此类窗户若在我国北方地区使用，将会大面积 出现内层结露现象。鉴于上述原 因，国家建设部早 在 2 0 0 1 年就禁止非 中空玻璃单框双玻 门窗(6 5 9号 公告)用于民用建筑工程。3 结论 建筑物门窗、外墙、屋面、地面等外围护结构构 件中，门窗的保温性能最差，通过门窗的耗热最多，是建筑节能的最薄弱环节，所以，改善门窗的绝热性 能是抓好建筑节能的重点。而中空玻璃作为公共建 筑 5 0 节能、居住建筑 6 5 节能 的主推产品，提高 其质量更是当今建筑节能技术的重 中之重。因此，通过选料、加工制造、工艺环境等各个环节加 以控 制，能够防止中空玻璃结露失效，延 长其使用 时间，减少维修费用，这不仅能带来经济效益，同时可以获 得更好的社会效益。参考 文献 1 中空玻璃 G B T 1 1 9 4 4 2 0 0 2 2 李湘洲 中空玻璃应用现状与发展趋势 J 福建建 材，2 0 0 6 3 马军 中空玻璃露点的控制 J A r c h i t e c t u r a l a n d I n du s t r i a l Gl a s s No 3，1 9 97 4 徐永铭 露点是控制中空玻璃功能失效的重要指标 J 徐州工程学院学报，2 0 0 6 6 5 林颖哲 玻璃幕墙中空玻璃密封单元的性能及其失 效控制 J 福建建设科技，2 0 0 3 6 南士吉 浅谈中空玻璃与双层玻璃 J 山西建筑，20 0 3 1 n 3 3 5