節能材料在超低能耗建筑中的應用分析

0　引言節能建筑的設計和運行已有很多案例，相應的技術規范已形成體系。超低能耗建筑和節能建筑雖然有一些相似之處，但是也存在一些區別。相似之處主要體現在：① 節能，兩者都注重節能，通過采用高效的節能系統和設備，降低能源消耗，減少對傳統能源的依賴；② 環保，兩者都注重環保，通過采用可再生能源和綠色建筑材料，減少對環境的負面影響，促進可持續發展；③ 舒適，兩者都注重室內環境的舒適性和健康性，為用戶提供更加舒適、健康的居住環境。1　超低能耗建筑的特點超低能耗建筑作為節能建筑的升級版本，與節能建筑的區別主要體現在以下4個方面。1.1　能耗標準超低能耗建筑是指能源消耗極低的建筑，通常具有更高的能效標準和更嚴格的能耗控制措施。而節能建筑則是相對而言的，其能效標準略低于超低能耗建筑。上海市的應用實例中要求超低能耗建筑的能耗水平應較 2016 年所執行的建筑節能標準再降低50%以上。1.2　技術要求超低能耗建筑需要采用更先進的技術和設備，以及更高質量的保溫和隔熱材料，以實現更低的能源消耗。而節能建筑則相對寬松一些，可以根據不同的氣候和地域條件進行適當的調整和優化。1.3　適用范圍超低能耗建筑適用于一些特定的建筑類型和領域，如大型公共建筑、商業建筑和住宅建筑等。而節能建筑則適用于更廣泛的領域，包括住宅、辦公樓、學校和醫院等。以上海市為例，90% 的超低能耗項目是新建的住宅建筑。P23科技前沿·新聞信息上海建材　　二〇二四年　　第五期環保與節能1.4　制約其推廣的因素超低能耗建筑和節能建筑在節能和環保方面都有其獨特的優勢，但超低能耗建筑在能效和環保方面的表現更優。超低能耗建筑通過采用先進的節能技術和設備，以及高效的保溫和隔熱材料，實現了更低的能源消耗和更高的能效。同時，超低能耗建筑還注重采用可再生能源和綠色建筑材料，減少對環境的負面影響，具有更高的環保標準［1］。超低能耗建筑在節能、環保和舒適性等方面具有顯著優勢，但也面臨著技術、投資、維護和管理等方面的挑戰。制約超低能耗建筑推廣的主要因素有以下6個方面。（1）初期投資高：由于需要采用先進的節能技術和設備，以及高質量的建筑材料，低能耗建筑的初期投資通常較高，這可能會對一些預算有限的用戶造成障礙。（2）技術要求高：超低能耗建筑的設計和施工需要較高的技術水平和專業知識，對建筑師和施工人員的專業知識和技術水平要求較高。（3）對傳統建筑改造困難：對于既有建筑，進行超低能耗改造可能面臨較大的技術和經濟挑戰，因此目前的超低能耗建筑主要為新建建筑。（4）維護和管理要求高：為了保持超低能耗建筑的性能和能效，需要定期進行維護和管理。這需要用戶具備相應的專業技能和知識，并投入一定的時間和資源。（5）可能存在性能風險：雖然超低能耗建筑在設計和施工階段經過了嚴格的能效評估和優化，但是在實際運行中，由于各種因素的影響，可能存在性能不如預期的風險。（6）地域和文化適應性：超低能耗建筑的設計和功能需要根據不同的地域和文化背景進行調整和優化，以適應不同地區的氣候、文化和市場需求。比如，很多居民習慣于開窗通風透氣，這與超低能耗建筑強調氣密性是背離的。2　高性能節能材料在超低能耗建筑中的應用隨著全球能源危機和環境問題的日益嚴重，節能和環保已成為當今社會發展的重要主題。超低能耗建筑作為一種創新的建筑理念，通過采用高效隔熱、低能耗設備和節能材料等手段，將建筑物的能源消耗降到最低。其中高性能節能材料在超低能耗建筑中的應用尤為重要。常用的高性能節能材料主要分為兩類：一類是高效隔熱材料，另一類是節能建材。高效隔熱材料可以有效阻隔太陽輻射和室外熱量，降低建筑物的溫度波動。常見的隔熱材料包括真空絕熱板、反輻射涂料、納米氣凝膠等。節能建材則是指具有優異保溫、隔熱性能的建筑材料，如聚氨酯、發泡聚苯乙烯、擠塑聚苯板、硅墨烯板材等。這些材料能夠有效地減少建筑物的熱量流失，提高建筑的保溫性能。在超低能耗建筑中，高效隔熱材料主要用于外墻、屋頂等部位的保溫隔熱。例如：真空絕熱板、反輻射涂料可以用于外墻保溫，有效降低室外熱量對室內溫度的影響；納米氣凝膠可以用于屋面保溫，提高屋面的熱工性能。這些材料的廣泛應用可以有效降低建筑的能耗。節能建材在超低能耗建筑中的應用更加廣泛，如聚氨酯、發泡聚苯乙烯、擠塑聚苯板、膨脹聚苯板、巖棉板、硅酸鈣板、膠粉聚苯顆粒、自調溫相變蓄能材料（fluid-thermal-composite，FTC）自調溫相變蓄能材料、無機保溫膏料、硅墨烯板材等。這些材料可以用于墻體的內外保溫，提高墻體的保溫性能，減少室內熱量流失。此外，節能門窗也是節能建材的一種，采用特殊的密封和隔熱設計，可以有效降低室內外的熱量交換［2］。高性能節能材料在超低能耗建筑中的應用具有重要的意義。這些材料不僅可以提高建筑的保溫隔熱性能，降低能源消耗，還可以改善室內環境，提高居住的舒適度。未來，隨著科技的不斷發展，相信會有更多高效、環保的節能材料應用于超低能耗建筑中，為推動建筑業的綠色發展做出更大的貢獻。同時，政策制定者和建筑師需要考慮如何將這些高性能節能材料有效地整合到建筑設計、施工中，以實現超低能耗建筑的可持續發展［2］。節能材料的使用要符合各地的規定。以上海市為例，上海市對生產和使用的建筑材料有限制和禁止的目錄，禁限目錄是為了推動環保和可持續發展。同時規定應選擇 A 級不燃材料作為外墻保溫材料，也就是主要為有機成分的B級保溫材料不能用于外墻保溫，如聚氨酯板、發泡聚苯乙烯板、擠塑聚苯板等。3　外墻保溫材料的實際使用在超低能耗建筑中，節能材料保溫部位主要涉及屋面工程保溫和墻體工程保溫。筆者參與的位于P24科技前沿·新聞信息上海建材　　二〇二四年　　第五期環保與節能上海市閔行區、松江區、嘉定區、青浦區、浦東新區、靜安區的 6 個超低能耗項目中，屋面工程所用的保溫材料均為擠塑聚苯乙烯泡沫板，墻體工程外墻外保溫所用的保溫材料均為硅墨烯免拆模保溫板，外墻內保溫材料多為FTC自調溫相變蓄能材料。硅墨烯保溫板是一種新型的保溫材料，以石墨聚苯乙烯顆粒為骨料，采用特有的硅質材料通過專用的設備進行混合、裹殼、內嵌雙層熱鍍鋅鋼絲網、加熱微孔發泡模壓成型并養護，再通過修邊等工藝制成具有不燃特性的保溫板材。其優點主要包括以下幾方面。（1）優異的保溫性能：硅墨烯保溫板的導熱系數較低，為 0.045～0.055 W（/ m·K），具有很好的保溫效果，能夠有效降低建筑物的能耗。（2）環保低碳：硅墨烯保溫板來源于天然石墨烯，不產生有害氣體，在生產和使用過程中不會對環境造成污染，屬于環保低碳材料。（3）耐腐蝕性強：硅墨烯保溫板具有很好的耐酸堿腐蝕性，可在酸、堿等惡劣環境下長期使用。（4）耐溫性強：硅墨烯保溫板可以在高溫下長期使用，耐熱性能比普通保溫材料更優異，具有不燃燒性。（5）輕質化程度高：硅墨烯保溫板的密度較輕，比傳統混凝土制品使用更少的骨料，質量更輕。（6）高強度和易加工性：硅墨烯保溫板具有較高的強度和韌性，且易于加工，可以滿足各種復雜形狀的保溫需求。然而，硅墨烯保溫板也存在一些缺點，如生產成本高、施工難度大、吸濕性較強等，需要在生產和使用中加以注意?？傮w來說，硅墨烯保溫板是一種具有很大潛力的新型保溫材料，具有廣泛的應用前景。目前，硅墨烯材料的使用主要有硅墨烯免拆模保溫板和硅墨烯反打預制構件 2 種類型。2 種類型的主要區別體現在以下幾個方面。硅墨烯反打預制構件是以硅墨烯保溫板作為建筑外墻保溫板，在混凝土預制構件廠生產保溫預制構件時，將硅墨烯保溫板裁剪成對應形狀，放置在預制構件生產模臺的底部，以其作為底板并將混凝土構件內部連接的鋼筋網片、混凝土與保溫板之間的錨栓連接件鋪裝完畢后，澆筑混凝土成型，形成外表面由抹面層、飾面層構成的保溫與預制混凝土外墻板一體化構造的外墻保溫系統。硅墨烯免拆模保溫板是將硅墨烯保溫板作為建筑結構混凝土澆筑時的外模板使用，通過配合專用錨固連接件將其與混凝土結構一次性澆筑成型，實現永久性免拆，使保溫與結構主體一體化。省去了拆除傳統模板的步驟，實現了簡化施工的效果。硅墨烯反打預制構件和硅墨烯免拆模保溫板都是關于硅墨烯保溫板的應用方式，適用于建筑外部的保溫，尤其是對于超低能耗建筑等需要高效能保溫的建筑類型。兩者都是基于硅墨烯保溫板獨特性能和優勢的應用方式，具有高效、環保、節能等優點，適用于不同的建筑類型和場景。在實際應用中，應根據具體需求和條件選擇合適的應用方式。根據《上海市超低能耗建筑技術導則（試行）》（以下簡稱《導則》）附錄C中對保溫材料的規定：“屋面保溫材料選擇時，除了滿足更高保溫性能，還應具備較低的吸水率和較好的抗壓性能，其燃燒性能等級不應低于 B1 級”。筆者參與的 6 個上海市超低能耗項目屋面工程所用的保溫材料均為擠塑聚苯乙烯泡沫板，墻體工程外墻外保溫所用的保溫材料均為硅墨烯免拆模保溫板，外墻內保溫多為 FTC 自調溫相變蓄能材料。6 個項目的保溫材料檢測報告均表明，屋面保溫材料擠塑板的導熱系數≤0.030 W（/ m·K），壓縮強度≥200 kPa，吸水率≤1.5%，燃燒性能等級達到 B1級（新標準對應 C級），均符合《導則》對屋面保溫材料性能的要求［3］。外墻保溫材料硅墨烯免拆模保溫板主要參數的檢測結果見表1。表1中抗拉承載力標準值檢測方法是先將連接件澆筑在混凝土中，養護到期之后使用JG/T 366—2012《外墻保溫用錨栓》所規定的試驗方法進行抗拉承載力標準值的試驗。但是實際檢測中發現圓盤被拉壞，而連接件依然可以穩固地植根于混凝土中，因此7 kN表1　外墻保溫材料硅墨烯免拆模保溫板檢測數據Tab.1　External wall insulation material silicon graphene mold?free insulation board test data樣品名稱硅墨烯保溫板抗裂砂漿連接件參數抗壓強度/MPa垂直于板面的抗拉強度/MPa吸水率/%導熱系數（/ W·m-1·K-1）拉伸黏結強度（與硅墨烯）/MPa抗拉承載力標準值（金屬件）/kN檢測結果0.4～0.60.12～0.3370.045～0.0550.127P25科技前沿·新聞信息上海建材　　二〇二四年　　第五期環保與節能其實測試的是錨盤的強度，而按照該標準的方法僅可以測出錨盤側破壞時的最大力。其產品標準中對硅墨烯免拆模保溫板垂直于板面的抗拉強度要求為≥0.25 MPa。檢測結果較離散，最大值可以達到 0.33 MPa，但最小值僅 0.12 MPa。保溫板絕大多數均破壞在鍍鋅鋼絲網處，且破壞界面的鍍鋅鋼絲網部分有銹蝕現象。外墻內保溫材料多用 FTC 自調溫相變蓄能材料。從核查這些項目的FTC自調溫相變蓄能材料的進場復驗報告結果來看，有的項目對該材料的進場復驗進行了體積吸水率的檢測，而有的項目對該材料進場復驗時并未進行該參數的檢測。經過咨詢得知，項目是依據第三方檢測單位出具的節能檢測方案進行材料送檢的，而第三方檢測單位編制節能檢測方案時分別依據 DGJ 08-113－2017《建筑節能工程施工質量驗收規程》和GB 50411－2019《建筑節能工程施工質量驗收標準》進行編制。這兩個標準對墻體工程用到的保溫材料進場復驗項目的規定不同，導致不同第三方檢測單位出具的節能檢測方案中關于墻體工程中保溫材料進場復驗是否需要進行的檢測項目存在不同。最終導致在相同的工程部位，不同的項目進場復驗參數出現差異。4　保溫材料的影響因素和優勢保溫材料在超低能耗建筑中扮演著重要的角色，主要用于提高建筑的保溫性能，降低能源消耗，提高建筑的可持續性。超低能耗建筑通常使用高效保溫材料，如聚氨酯、發泡聚苯乙烯、膨脹珍珠巖等。這些材料具有較高的保溫性能，能夠有效地減少室內外熱量傳遞，降低能源消耗。保溫材料可以應用于建筑的多個部位，如外墻、屋頂、地面等。在超低能耗建筑中，通常會在外墻涂抹保溫材料或者將保溫材料夾在墻體的中間，以增強外墻的保溫性能。此外，屋頂和地面也會使用保溫材料，以減少熱量傳遞和熱損失。超低能耗建筑需要嚴格控制空氣滲透，因此，保溫材料的選擇和應用需要與氣密性相配合。在保溫材料的接縫處應該采取密封措施，如使用密封膠或密封條，以防止空氣滲透。對于保溫材料而言，氣密性較好的材料能夠更好地防止氣體滲透。同時，保溫材料的厚度和密度也需要根據建筑的氣密性要求進行選擇。隨著時間的推移，保溫材料可能會受到損壞或老化，需要定期進行維護和更新。因此，選擇耐久性強、易于更新的保溫材料也是超低能耗建筑需要考慮的重要因素?？傊?，保溫材料在超低能耗建筑中的應用需要綜合考慮多個因素，包括材料的性能、應用方式、氣密性配合以及維護和更新等。通過合理地選擇和應用保溫材料，可以有效地提高建筑的保溫性能和能源利用效率，實現超低能耗建筑的可持續發展目標。保溫材料在超低能耗建筑中應用的優勢主要體現在以下6個方面。（1）高效節能：保溫材料能夠有效減少室內外熱量傳遞，降低能源消耗。使用高效保溫材料，可以減少建筑的供暖和制冷需求，降低對傳統能源的依賴。（2）提高舒適度：保溫材料的應用可以使室內溫度保持穩定，減少溫度波動，提高居住者的舒適感。同時，保溫材料還可以減少室內外噪聲傳遞，降低噪聲干擾，提高居住質量。（3）延長建筑使用壽命：保溫材料具有較好的耐久性和穩定性，能夠保護建筑結構，延緩建筑老化。同時，保溫材料還可以防止紫外線、酸雨等外界因素對建筑造成損害，從而延長建筑的使用壽命。（4）優化建筑設計：保溫材料的應用可以使建筑設計與保溫技術相結合，進行一體化建筑設計。通過將保溫材料應用于建筑的各個部位，可以創造出一個更加高效、美觀、可持續的建筑。（5）降低運營成本：保溫材料的應用可以降低建筑的能源消耗和維護成本。同時，保溫材料還可以降低建筑的維修和更換頻率，從而降低運營成本。（6）促進可持續發展：保溫材料的應用符合可持續發展的要求。使用可再生和高效的保溫材料，可以減少對環境的負面影響，促進建筑與環境的和諧共生。5　保溫材料的劣勢分析（1）成本較高：超低能耗建筑通常需要使用高質量、高性能的保溫材料，而這些材料的成本往往較高，導致建筑的整體成本增加。（2）施工難度大：超低能耗建筑對保溫材料的安裝和施工要求非常高，需要專業的施工人員和技術人員進行操作，施工難度較大。（3）維護和更新困難：超低能耗建筑的保溫材料通常需要定期進行維護和更新，以保持其性能和能效。由于保溫材料通常安裝在建筑內部，因此其維護和更新可能較為困難。（下轉第37頁）P26科技前沿·新聞信息上海建材　　二〇二四年　　第五期新材料新技術筑結構，2019，49（19）：83-90.［2］劉偉慶，楊會峰.現代木結構研究進展［J］.建筑結構學報，2019，40（2）：16-43.［3］王瑞勝，陳有亮，陳誠 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