建筑保溫材料應用研究現狀

陳依然

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

隨著生活水平的提高，人們對室內環境熱舒適的要求也越來越高，從而造成了建筑能耗的不斷增長，特別是在發達國家其建筑能耗達到了40%左右，超過了交通和工業的能耗[1]。因此，建筑節能已經成為世界各國研究者關注的重要課題之一。

研究表明，對于高耗能建筑，70%以上的建筑能耗是由于圍護結構的傳熱造成的[2]，因此，減少建筑圍護結構的傳熱能耗對建筑能耗有著非常重要的作用。其中減少圍護結構的傳熱能耗可以通過利用不同的保溫材料對圍護結構熱工性能進行改變[3]。目前，大量的保溫材料被商業化使用，保溫材料通過其化學性質基本可分為無機和有機兩類，本文主要針對以上兩類材料對建筑的保溫節能效果進行總結和回顧，以期對圍護結構的節能設計提供幫助。

1 無機保溫材料的特性

由于無機保溫材料具有不易燃的特性，許多研究學者對無機保溫材料展開研究，通常無機保溫材料可分為纖維保溫材料和泡沫保溫材料。礦棉是一個涵蓋各種無機纖維保溫材料的總稱，其中包括巖棉、玻璃棉和礦渣棉等，它們都由不同的原料制成[4]，如巖棉[5]是通過在1 600℃下熔化幾種巖石(如白云巖、玄武巖和輝綠巖)來制造的，從而獲得纖維，然后使用粘合劑將纖維粘合在一起，其熱導率在0.033～0.046 W/(m·K)，密度在40～200 kg/m3，比熱在0.8～1.0 kJ/(kg·K)，此外，它們雖然價格便宜，但是有研究表明，水蒸氣的凝結會對建筑用巖棉材料的隔熱性能產生負面影響。而玻璃棉[5]是在1 300℃～1 450℃的溫度下將天然砂和玻璃混合而成，根據Villasmil等[6]的回顧，玻璃棉的熱導率為0.030～0.046 W/(m·K)，與巖棉非常接近。無機泡沫保溫材料有硅酸鈣、珍珠巖和蛭石等，泡沫保溫材料普遍具有較低的導熱系數，這是由于高孔隙率降低了其機械強度并改善了其吸濕特性。Gao等[7]采用珍珠巖制備了新型泡沫保溫材料，包括珍珠巖/硅酸鈉、過氧化氫、十六烷基三甲基溴化銨和巖棉，這種新型泡沫保溫材料比其他具有較低導熱系數和較高機械強度的無機材料更輕。

與已廣泛用于建筑中的礦棉等保溫材料相比，還有氣凝膠等保溫材料正在研發中，它們的特點是具有非常低的熱導率，對建筑節能的效果顯著，氣凝膠便是一種輕質、高保溫材料[8]。Gao等[9]針對挪威奧斯陸的小型建筑，在圍護結構中添加了氣凝膠材料，結果表明，使用氣凝膠板的建筑可降低21%的能耗。除氣凝膠以外，真空保溫板(VIP)也是當今市場上最有前途的高性能保溫材料之一，其導熱系數低至0.004 W/(m·K)[6]，齊嬌等[10]模擬了用VIP板代替傳統聚苯乙烯板材對建筑熱性能的影響，結果表明，相比于傳統保溫板材，使用VIP的建筑年能耗減少了18.8%。但真空保溫板并不易制作，為了防止空氣滲透，需要薄膜進行封裝。具體的無機保溫材料熱工參數見表1。

表1 無機保溫材料的熱工參數

雖然以上材料均可作為保溫材料來使用，但均不具備承重能力，只可用于保溫圍護結構的裝配系統中，對此人們采用可承重的保溫材料進行研究，使建筑主體與圍護結構保溫隔熱合二為一。Diao等[11]對可承重的保溫材料的熱工性能進行了理論計算和試驗檢測，結果表明，實心墻的承重、保溫、隔熱、隔聲效果比較理想，且具有耐火和抗凍性，但是耗用黏土較多，破壞耕地，施工速度慢，勞動強度大，自重大，空心墻相比于實心磚具有重量輕，黏土用量少等優點，可節約磚量30%；但其承載能力弱，隔聲效果亦不理想，材料檢測結果見表2。

表2 材料試驗檢測結果[11]

綜合以上文獻可知，對于目前市面上廣泛使用的無機保溫材料通常具備穩定、成本低、無毒等特性，但與氣凝膠和VIP等新型無機材料相比其節能性和保溫性能不佳，其次氣凝膠和VIP雖然具有良好的節能效果，但是由于其成本過高以及制作過程繁瑣導致其至今并沒有廣泛被使用。

2 有機保溫材料的特性

有機保溫材料相比與無機保溫材料具有更優良的保溫性能以及保溫形式的多樣性。有研究學者[3]發現纖維素不僅可以作為填充式保溫材料對各種空腔結構進行填充，也可以制成保溫板來充當圍護結構的保溫層。Limam等[12]對軟木及其復合材料進行了實驗研究，對其熱導率、熱阻、比熱和熱擴散率進行測量，發現其熱導率在0.068 W/(m·K)左右，其中軟木的熱導率為0.041 W/(m·K)。

在建筑中絕大多數保溫材料基本上是由聚合物材料、填料和其他添加劑復合制成的。如發泡聚苯乙烯(EPS[5])是通過蒸發添加到聚苯乙烯顆粒中的戊烷而獲得的，其熱導率為0.031～0.037 W/(m·K)，密度為15～75 kg/m3，比熱約為1.25 kJ/(kg·K)，且密度越高，保溫性能越好，同時有研究發現，EPS的熱導率會受水分影響，當干燥的EPS材料放置在相對濕度為90%的氣候室中4 h，其熱導率可增加1.4%～2.1%[13]，但是這種材料為易燃材料，并且燃燒時會釋放有害氣體，擠塑聚苯乙烯(XPS[5])與EPS具有相似的保溫性能，是通過在擠塑機中加入發泡劑而制成，并且也屬于易燃材料，因此，在制造EPS和XPS的過程中必須添加阻燃劑。

另有一部分學者對一些具有回收性的有機保溫材料進行了研究，Zacha等[13]指出羊絨具有優良的保溫性能，其性能與礦物棉和巖棉類似，此外與礦物棉相比，羊絨更具生態性，對人體健康的危害更小。同時一些研究人員認為玉米也是回收率很高的有機保溫材料，Pinto等[14]采用玉米芯制成保溫面板并對其保溫性能進行研究，結果表明，玉米芯與擠塑聚苯乙烯的微觀結構和化學成分具有相似性，并且玉米芯保溫面板的保溫性能也可以滿足建筑節能的需求。表3對有機保溫材料的熱工參數進行了總結。

表3 有機保溫材料的熱工參數

通過上述文獻可知，大部分有機材料的保溫性能較好，但是相比于無機材料，其化學性質不穩定，具有易燃性，并且燃燒后會產生有害氣體，因此，在使用有機保溫材料時需特別添加阻燃措施。

3 結論與展望

本文通過綜述大量的實驗模擬得出的數據顯示，保溫材料的選擇對建筑能耗會產生很大程度的影響，不過仍存在一些問題需要進一步深入的研究。巖棉等無機保溫材料雖具有成本低、穩定性高的特點，但對于保溫性能及物理特性仍有可提升的空間，真空保溫板(VIP)、氣凝膠等新型無機保溫材料在建筑節能方面最具研究前景，但這些材料尚處于商業化的初期階段，并且還存在力學性能較低、成本高、操作復雜等問題待解決，今后的發展還存在著一定的局限性，而有機保溫材料雖然普遍具有良好的保溫性能，但其易燃性存在一定的安全隱患，并且其吸濕性對人類生活也會造成一定的影響。今后針對無機材料密度大的特性可以采用密封填充的方式與鏤空承重保溫相結合，而針對有機材料易燃性和吸濕性的特點可以采用阻隔或封裝的方式對其進行改善，綜上，保溫材料特性的研究具有良好的研究前景，以期獲得更低成本、更安全的保溫材料來降低建筑能耗。

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