经泾与节站 2018年第12期（总第159 期) ENERGY AND ENERGY CONSERVATION 2018年12月 本刊特稿 气凝胶半透明复合保温围护结构在低能耗建筑中的应用 王晓晓！
，刘向峰²，朱仁杰？
（1.南京林业大学风景园林学院，江苏南京210037；2.天津大学建筑学院，天津300072：3.上海市建筑科学研究院（集团）有 限公司，上海200032) 摘要：气凝胶半透明复合保温板是导热系数超低的气凝胶材料夹层与边界透明材料保护层组成的复合构造，可用于 建筑幕墙，实现保温节能：其保温效能高于同样厚度的建筑用节能中空玻璃.
但气凝胶半透明复合保温板只适用于冬季 以采暖能耗为主的建筑，对夏季以制冷能耗为主的建筑无明显节能效果.
目前建筑中应用气凝胶半透明复合保温围护结 构不一定都具有经济合理性，工程中应采用能耗分析与投资回收期经济性分析相结合的方法，找出价格适宜的气凝胶半 透明复合板，才能保证其用于低能耗建筑幕墙的经济合理性.
关键词：气凝胶：半透明复合保温板；建筑围护结构：低能耗建筑：保湿隔热 中图分类号：TU5511文献标识码：A文章编号：2095-0802-（2018)12-0002-05 Application of Aerogel Translucent Composite Insulation Envelopes for Energy Eficient Buildings WANG Xiaoxiao' LIU Xiangfeng? ZHU Renjie² (1. College of Landscape Architecture Nanjing Forestry University Nanjing 210037 Jiangsu China:; 2. School of Architecture o s dn s upng po n re s u) Abstract: Aerogel translent posite panel is a structure eising of an aerogel inbeween layer with ulra low themal condtivity and bdary tansarent ptetie layers They can be utilid n cutain walls of a bilding fr imwing eegy eficiency via themal insulation. The insulation capacity of an aerogel translucent posite enelope is always better than that of ahigh pefomnce dobe pane glazing wih te ientical thicknes Ntheles in tem f enegy ficieny arogl trale posite envelopes are only efective for buildings requiring mainly heating energy in winter not for buildings consuming more coling energy in smmer. Cuently it is not always conmically feasible for applying aergel translcent coosite emelpes with the pe f ing te ildin y fc I ging p it is ad e ai and payback period caleulation together to determine the optimized cos of aegel bilding envelopes in ner to ensure the economical feasibility of the curtain walls of an energy efficient building. Key words: aerogel; tanslucent posite inlation panel; building envelope; lenery building; themal insulatin 0引言 气凝胶自20世纪30年代出现以来，就长期被用于航空 保温隔热材料在建筑节能领域被广泛应用.
利用 航天、汽车船舶、冶金化工等领域的轻质高效保温围护 保温隔热材料减少建筑围护结构传热，是降低建筑能 结构中.
近年来，随着气凝胶研究的深入和产业化，其 耗的一种重要手段.
常用保温隔热材料的功能模式都 成本逐渐降低.
目前，气凝胶复合保温毡单位面积价格 是从减少热传导、热辐射和热对流角度减少传热热流， 区间（100元/m㎡-450元／m）已经接近常规民用建筑中 一般具有疏松多孔阻碍空气对流的微观结构，或封闭 幕墙玻璃的单位面积价格区间（30元/m²-150元/m）， 真空层，或低辐射材料特性；也可兼而有之形成复合 使得气凝胶材料在建筑领域，特别是在建筑幕墙上应 保温隔热围护结构，比如各种泡沫夹芯板、具有轻质 用成为经济可行的方案.
但用气凝胶代替空气间层做 保温层的复合墙体、低辐射中空玻璃等.
成半透明复合板应用于建筑幕墙，目前还是一种新颖的 气凝胶是一种新型轻质纳米多孔材料，由大量小于 节能幕墙概念，其技术可行性和节能功效需深入研究.
空气分子平均自由程的纳米尺度微孔结构组成.
纳米微 1气凝胶半透明复合保温板的性能特点 孔使其中的空气分子无法自由移动，从而使气凝胶具有 比静止空气层更优的超低导热系数（0.013W/（mK）- 材料微观结构决定其宏观性能，不同性能材料叠加 0.025 W/(mK)、超低密度（0.003 g/cm²5 g/cm²）).
决定复合材料的整体性能.
气凝胶半透明复合保温板 是采用气凝胶材料夹层与边界透明材料保护层组成的 收稿日期：20181008 复合构造.
透明材料保护层可以是建筑玻璃或透明树 基金项目：住房和城乡建设部科学技术计划项目“一种应用于绿色 脂材料，主要为气凝胶夹层提供强度支撑，并提高其耐 城市建设的半透明节能环保复合板体系开发“（2015-K1-038）：江 候性.
之所以用保护层是由气凝胶本身的材料特点决 苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY2015.A063) 第一作者简介：王晓晓，1982年生，男，安徽风阳人，2012年毕业 定的，而气凝胶材料特点又与其微观结构和制备工艺 于美国伊利诸理工大学建筑学专业，博士，副教授.
相关.
2
2018年第12期 王晓晓等：气凝胶半透明复合保温围护结构在低能耗建筑中的应用 2018年12月 根据成分的不同，气凝胶材料可分为无机气凝胶、 由表1可知，气凝胶半透明复合保温板保温效能 有机气凝胶和无机有机复合气凝胶.
无机气凝胶，比 高于同样厚度的建筑用节能中空玻璃.
为了进一步研 如SiO气凝胶、AlO气凝胶等无机材料为微观骨架结 究气凝胶半透明复合保温围护结构的热工性能及其对 构的气凝胶：有机气凝胶，比如各种合成聚合物气凝 建筑能耗的影响，特采用能耗模拟结合实体模型实验 胶和碳气凝胶等有机材料为微观骨架结构的气凝胶： 验证的方法.
无机有机复合气凝胶，比如聚合物/SiO复合气凝胶、 2实验建筑能耗分析 纤维素/SiO复合气凝胶等由无机材料和有机材料复合 组成微观骨架结构的气凝胶.
纤维素气凝胶属于无机 2.1能耗建模 气凝胶和聚合物气凝胶之后出现的新型气凝胶材料， 如图1所示，假定用于能耗模拟的实验建筑为小 原材料可取材于植物纤维，其本质是安全、可降解的 型办公建筑，面宽6m，进深6m，高3m，建筑面积 植物成分，来源广泛.
纤维素气凝胶在保持气凝胶材 36㎡²，体型系数1.0.
正南向墙面上有35%的实验用窗 料绝热保温等特性的同时，还有生物相容性和可降解 安装面积，约6.3m².
地面素土夯实，其上为100mm厚 性，是一种极具发展潜力的生物类聚合物材料叫.
现浇重质混凝土板，上铺地毯.
屋面外层为金属瓦楞板， 一般的无机气凝胶有较好的光透过性，是非可燃 下有210mm厚、导热系数0.049W/（mK）的聚苯板保 材料，但比较脆，且易碎：而有机气凝胶，特别是纤 温层，顶棚为9mm厚的石膏板.
墙面外层为25mm 维素气凝胶的韧性比较好，不易碎，但光透过性比较 厚抹灰，200mm厚重质钢筋混凝土墙板加80mm厚 差，强度和热稳定性也较差，有一定使用温度范围限 挤塑聚苯板内保温层，内饰面为12mm厚石膏板.
制，用于建筑材料耐火性不高.
但是，不论是无机气 凝胶、有机气凝胶、复合气凝胶，还是纤维素气凝胶， 其传热性能并不因材料不同而有很大差别，大多在 0.013W/(mK)~0.025W/(mK）之间，因为气凝胶传热 主要由其纳米结构中99.8%的空气体量决定.
这种纳米 多孔网络结构的杨氏弹性模量都不太高，一般低于聚乙 3 m 烯材料.
因此，从提升强度、耐候性和防火性角度考 量，气凝胶材料围护结构板材都需要一定强度和 35%透朗围护结构6.3m² 耐候性材料作为保护层.
一些典型气凝胶复合保温板 实验用窗安装位置 的综合传热系数如表1所示.
建筑面积36m² 表1气凝胶半透明复合围护结构与典型玻璃幕墙围护结构的 6 m 总传热系数比较 图1用于能耗模拟的实验建筑和实验窗示意图 幕墙围护结构类型 总厚度围护结构总传热系数 实验用窗有两种：a）9mm厚气凝胶半透明复合板 /m /W-mK-) 气凝胶半透明玻璃（1.5mm聚碳酸 制作的固定窗，以下简称为“气凝胶窗”：b）9mm厚 酯3mm气凝胶1.5mm聚碳酸酯） 0.006 2.47~3.40 的普通玻璃，内贴半透明遮阳膜固定窗，以下简称为 气凝胶半透明玻璃（4mm透明4mm 0.012 2.11~3.06 “普通玻璃贴膜窗”.
气凝胶窗的阳光透过率为0.33，阳 气凝胶4mm透明） 气凝胶半透明玻璃（6mm透明6mm 光反射率为0.62，可见光透过率为0.44，可见光反射率 气凝胶6mm透明） 0.018 1.582.43 为0.51，红外辐射发射率为0.9，气凝胶导热系数为 气凝胶半透明玻璃（8mm透明8mm 0.024 1.26~2.02 0.019W/(m-K)：普通玻璃贴膜使普通玻璃阳光透过率 气凝胶8mm透明） 和反射率、可见光透过率、反射率和红外发射率都与 透明玻璃（6mm透明） 0.006 5.70 气凝胶半透明复合板几乎相同，仅导热系数不同（普 透明玻璃（12mm透明） 0.012 5.50 有色吸热玻璃（6mm吸热） 0.006 5.70 通玻璃导热系数为0.9W/（mK）.
热反射玻璃（6mm低透光） 0.006 4.60 实验用窗分别安装在相同的实验建筑上，在相同的 单片低耀射（6mm中透光低辐射） 0.006 3.50 气候条件下以相同使用模式运行，并采用相同的照明 中空玻璃（6mm透明12mm空气 0.024 2.80 和设备系统运行方式，得出的建筑内部热环境变化、 6mm透明） 冷热负荷差异和运行能耗差异，在一定程度上可反映 中空玻璃（6mm热反射12mm 空气6mm透明） 0.024 2.40 出气凝胶窗和普通玻璃贴膜窗在建筑上应用带来的能 中空玻璃（6mm中透光低辐射 1.80 耗差异，据此可判断出两者的相对节能性.
再根据气 12mm空气6mm透明） 凝胶窗与普通玻璃贴膜窗各自的单位面积价格，以及 中空玻璃（6mm中透光低辐射 12 mm氯气6 mm透明） 0.024 1.40 因采用气凝胶窗每年节约能源的价格，可计算出气凝 注表1中总传热系数是包括内外表面边界层换热的板材总传热系数，先 胶窗的理论投资回收年限，据此可对气凝胶窗在建筑 不考虑边框影响， 中的适用性和性价比作出量化评价.
3
2018年第12期 牡源与节站 2018年12月 2.2典型冬季与夏季月份实验建筑能耗模拟 况分组对比.
研究中采用EnergyPlus进行能耗建模，案例之一的 通过图2可以看出，1月安装气凝胶窗的实验建筑 气象数据采用天津地区数据（寒冷气候区），典型冬季比安装普通玻璃贴膜窗的实验建筑的热负荷有一定程 月份为1月，典型夏季月份为7月.
能耗模拟得到的度地降低，表明在寒冷气候区应用气凝胶窗对建筑冬 实验建筑1月热负荷和7月冷负荷分别如图2和图3季节能有一定的效果.
数据分析表明，当室温不低于 所示.
对两种窗以冬季室内设定温度不低于16C和 16C时，普通玻璃贴膜窗实验建筑单位面积热负荷为 20℃，夏季室内设定温度不高于24C和28C几种情 11.09W/m㎡²，而气凝胶窗实验建筑单位面积热负荷为 2 500 2 000 负荷/W 时刻 →室内热负荷-普通玻璃遮阳膜-16℃ 室内热负荷-气凝胶玻璃-16C 室内热负荷-普通玻璃遮阳膜-20℃ ---室内热负荷-气减胶玻璃-20℃ 图2冬季1月实验建筑采用气凝胶半透明窗和普通玻璃贴膜窗时的热负荷对比 1 200 1 000 00 时刻 →室内冷负荷-普通玻璃遮阳膜-24℃ 室内冷负荷-气凝胶玻璃-24°℃C →室内冷负荷-普通玻璃遮阳膜-28C -室内冷负荷-气减胶玻璃-28℃ 图3夏季7月实验建筑采用气凝胶半透明窗和普通玻璃贴膜窗时的冷负荷对比
2018年第12 期 王晓晓等：气凝胶半透明复合保温围护结构在低能耗建筑中的应用 2018年12月 7.95W/m²，减少3.14W/m²，约28.36%;当室温不低 表2气凝胶窗实验建筑与普通玻璃贴膜窗实验建筑年运行能耗比较 于20C时，普通玻璃贴膜窗实验建筑单位面积热负荷 全年冷热负荷密度气凝胶窗建筑普通玻璃贴 B-4 /kWhm° （4） 联窗建筑（6 差值 (84)/8 为21.03W/m，而气凝胶窗实验建筑单位面积热负荷 为15.99W/m²，减少 5.04W/m²，约23.95% 冬季≥16℃C时单位 面积热负荷 25.63 37.26 11.63 31.2% 通过图3可以看出，7月安装气凝胶窗的实验建筑 冬学≥20℃时单位 的冷负荷曲线与安装普通玻璃贴膜窗的实验建筑的冷 面积热负荷 64.40 85.86 21.46 25.0% 负荷曲线几乎重合，表明在寒冷气候区应用气凝胶窗 夏≤28℃C时单位 面积冷负荷 3.84 98 0.02 0.5% 对建筑夏季节能基本无效.
数据分析表明，当室温不 夏季≤24℃时单位 高于28C时，普通玻璃贴膜窗实验建筑单位面积冷负 面积冷负荷 30.87 00 0.57 1.9% 荷为1.00W/m²，而气凝胶窗实验建筑单位面积冷负荷 实验建筑冬季采暖 气湿胶建筑（1） 普通玻璃贴膜窗建筑 为0.94W/m²，减少0.06W/m²，仅5.71%;当室温不高 能耗差/kWh*m 地源热泵制热COP= 于24C时，普通玻璃贴膜窗实验建筑单位面积冷负荷 3.9B-A耗电差 冬季≥16°时 2.98 冬季>20C时 5.50 为7.61W/mr，而气凝胶窗实验建筑单位面积冷负荷为 地源热泵制热COP= 4.5B-4耗电差 冬季≥16°时 2.59 冬季>20C时 4.77 7.23 W/m² 减少 0.38 W/m² 仅 5.05%.
风冷热泵制热COP 2.3能耗及投资回收期经济性分析 2.6B-1耗电差 冬票≥16时 4.47 8.26 研究中对安装气凝胶窗的实验建筑和安装普通玻 风冷热泵制热COP= 3.8B-1耗电差 冬票216时 3.06 .0 璃贴膜窗的实验建筑的全年运行能耗也进行了多轮模 5.65 拟，经整理，部分数据见表2.
假设实验建筑冬季采用 实验建筑夏季制冷 气凝胶窗建筑（4） 普通玻璃贴膜窗建筑 能耗差/kw-h*m² 比较节能的地源热泵或风冷热泵系统采暖，地源热泵 (B) 空调制冷EER=3.2 系统冬季制热能效比（CoefficientofPerfirmance，COP) 8-A耗电差 夏季<24时 0.18 夏季<28C时 0.01 为3.9-4.5，风冷热泵系统冬季制热能效比（COP）为2.6- 空调制冷EER=3.6 B-1耗电差 夏≤24时 0.16 夏季≤28C时 0.01 3.8：同时，实验建筑夏季采用空调制冷，空调制冷能 36实验建筑采用气凝胶窗代替普通玻璃贴膜 效比（Energy Eficiency Ratio，EER)为3.2-3.6. 电价采 窗后全年共可节省热泵采睡电费/元 48.4~183.4 用0.52元/(kWh)-0.62元/(kW-h)的居民用电价格估算. 36m实验建筑采用气凝胶窗代替普通玻璃贴膜 窗后全年共可节省空调制冷电费/元 4.0-0.1 从表2中可以看出，用气凝胶窗代替普通玻璃贴 膜窗后，冬季热负荷密度和采暖能耗有效降低，在模 注实验建筑在用能形式上做了适当简化假设只用电能其他能源 拟案例中比原来能耗降低25.0%~31.2%；夏季冷负荷 形式比如燃气、燃油、燃煤用量都为0 密度和制冷能耗不仅无明显降低，反而稍有升高，模 3热箱对比实验 拟案例在原能耗基础上升高1.9%、降低0.5%的范围内 变化. 对于36m²实验建筑而言，采用气凝胶窗代替普 3.1热箱测试窗试件与对比热箱测试系统 通玻璃贴膜窗后，全年共可节省热泵采暖电费48元- 对比实验采用两个相同的热箱放在同一室外环境 183元，但可能多耗费空调制冷电费0元-4元. 这表 中进行热工性能对比. 两个热箱的尺寸都是750mm× 明，气凝胶窗适合冬季采暖能耗为主的气候区，比如 500mm×900mm，同侧立面上都有尺寸250mm×650 严寒、寒冷气候区，在夏季制冷能耗为主的气候区， mn的测试围护结构安装开口，相对壁面相同位置都开 比如夏热冬冷、夏热冬暖气候区不会有明显的节能增 有尺寸为50mmx50mm的通风口，各几何尺寸完全 益，反而可能增加一些制冷能耗. 一样，如图4a）所示. 此外，两个热箱各面围护结构材 工程中宜用能耗分析结合投资回收期经济性分析， 料和构造也完全一样. 除底面外的5个壁面构造如图4 确定建筑中采用气凝胶半透明复合板围护结构是否合 b所示：外层采用耐候性好、硬度大的2mm厚环氧树 适. 比如，在本文的实验建筑案例中，目前，普通玻 脂板包裹，内层为100mm厚起隔热作用的挤塑泡沫保 璃贴膜窗单价60元/m²~120元/m㎡²，气凝胶窗单价200 温板，底面为100mm厚挤塑泡沫保温板置于50mm 元/m~550元/m²，如果用气凝胶窗替换普通玻璃贴膜 厚的挤塑泡沫保温板垫层上，再放置于楼顶平台. 热 窗（实验建筑中窗面积共6.3m），初始投资要多出504 箱壁面交接构造如图4c所示，交接处通过防水胶带密 元～3087元. 以更换后每年可节约电费44.4元～ 闭连接，胶带外侧通过角钢连接两个壁面的环氧树脂 183.5元估算（先忽略通货膨胀因素），投资回收期2.7a- 板加强固定. 69.5a.这表明，为了节能，采用气凝胶窗代替普通玻 测试窗试件分目标试件和对比试件. 目标试件构 璃贴膜窗经济上可能并不合理，因为一般玻璃窗的使 造为两片4mm厚的透明玻璃中间夹4mm厚的气凝胶 用年限10a~20a，幕墙玻璃使用年限25a~30a， 半透明材料层：对比试件构造为普通4m厚平板玻璃 均小于这个可能的最长投资回收期69.5a的1/2. 要达 内贴半透明膜，以保证对比试件光透过率与目标试件 到经济适用的目的，关键还是要降低气凝胶材料的价 基本相等，减小由透射光不同引起的热箱内部热环境 格，使其处于合适区间. 差异. 测试结果表明，经过贴膜处理的对比试件与目 5. 2018年第12期 牡源与节站 2018年12月 标试件光透过率相近，处于10%~15%之间. 实验时， 和2个热流片. 铂电阻温度传感器分别测量两个热箱 将两试件分别安装于两个热箱的窗洞上，通过测量热 的内部空气温度、玻璃内壁面和外壁面中心位置温度， 箱内部热环境参数对比两个试件热工的性能差异. 整 另有一温度传感器测量室外空气温度. 个对比热箱实验测试系统如图5所示. 温度测量使用 3.2对比热箱实验数据分析 铂电阻Pt100温度传感器，热流测量使用热流片，数据 在对比热箱实验中，目标热箱安装气凝胶半透明 记录采用多路数据记录仪，每隔1min记录一次温度和 复合板试件，对比热箱安装普通玻璃贴膜试件，开启 热流数据. 实验系统共使用了7个铂电阻温度传感器 数据记录仪记录温度与热流数据，所得部分实验数据 如下. 图6为目标热箱与对比热箱内部空气温度对比 单位：mm 情况. 从19:00-次日06:00的夜间时段，两者温度曲 线基本重合，整体保持缓慢降温趋势. 在06:00-09:40 KPS保温板（100 mm) 时段，热流数据显示热箱内部得热，且目标热箱内部 环氧树脂板（5mm） 空气升温稍慢于对比热箱，但相差不大. 这表明，该时 段气凝胶半透明复合板隔热作用稍好于贴膜普通玻璃， 但效果不明显. 在09:40-14:00时段，热流数据表明热 箱内部失热，且目标热箱内部空气温度稍高于对比热 箱内部空气温度，说明具有更好保温作用的气凝胶夹 层玻璃阻碍热箱内部散热，故此时段目标热箱内部空 a实验用热箱长宽高尺寸图 b）实验用热箱围护结构断 气温度相对较高. 综合多组数据得出：目标热箱与对 面材料示意图 比热箱内部空气温度差值在-2.3℃~2.4C范围内变 化，差值绝对值的平均值仅为0.27℃. 实验结果表明：在夏季，对于幕墙围护结构来说， 防水胶带 并非保温越好越节能，因为保温性能好的气凝胶层可 角铜- 能阻碍夏季室内散热，增大冷负荷，反而不利于节能. 紧固螺丝 XPS保温板（100 mm) 同时可得出，气凝胶半透明复合保温板在天津地区夏 环氧树脂板（5 季气候环境中相对于同样透过率的贴膜普通玻璃并无 mm) 节能优势. 这一结果直接证明了能耗模拟时得出的结 c)实验用热箱角部连接节点示意图 论，即在夏季以制冷能耗为主的气候区，气凝胶半透 图4对比实验用的热箱及其材料构造示意图 明复合保温板无明显节能增益. 900 3 750 单位：mm 内都空气温度测点 内壁面热流测点 目标试件（气凝胶半透明复合保温板） 内表面湿度测点 外表面温度测点 室外空气温度测点 内部空气度测点 室外平台 外 室 内壁面热流测点 对比试件（普通玻璃贴膜） 平 D09 台 女 内表面温度测点 外表面温度测点 境 室内 图5对比热箱试验测试系统及各测点示意图 （下转105页）
