纖維素氣凝膠半透明復(fù)合板用于節(jié)能幕墻產(chǎn)品的市場(chǎng)化研究

王曉曉 ，劉向峰 ，柴洋波 ，柳仲寶 ，王 婷

（1.南京林業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，南京 210037；2.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；3.上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200032）

如當(dāng)今我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，能源消耗，特別是建筑能耗不斷升高，2015年我國(guó)建筑能源消費(fèi)總量已達(dá)8.57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%左右[1]。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，采用新材料、新技術(shù)、新的運(yùn)維方法實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能降耗，成為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的工作重點(diǎn)之一。氣凝膠作為一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，具有高絕熱、高比表面積、對(duì)氣體選擇性透過等特點(diǎn)，從誕生以來就長(zhǎng)期用于航空航天、船舶和工業(yè)領(lǐng)域。近年來，隨著氣凝膠材料科學(xué)研究的不斷深入和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其成本逐漸降低，使氣凝膠材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多，如用于太陽能集熱器蓋板或設(shè)備管道的保溫層等[2]。但將氣凝膠集成在半透明復(fù)合板材中應(yīng)用于建筑幕墻，目前還是一種新穎的節(jié)能幕墻技術(shù)概念，其技術(shù)可行性、建筑適用性及市場(chǎng)化價(jià)值都值得進(jìn)一步深入研究。

一、氣凝膠簡(jiǎn)介

氣凝膠又稱干凝膠，是一種用氣體代替凝膠中的液體，而本質(zhì)上不改變凝膠本身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和體積的固態(tài)凝膠，是水凝膠或有機(jī)凝膠干燥后的產(chǎn)物，是已知世界上密度最小的固體，有“固態(tài)煙霧”之稱。氣凝膠于1931年由Kistler教授首先利用超臨界流體干燥技術(shù)，以硅酸鈉為原料制備成最初的二氧化硅氣凝膠[3]。由于其制備過程煩瑣、價(jià)格高昂等缺點(diǎn)，這種材料長(zhǎng)期沒有得到過多關(guān)注，直到溶膠—凝膠化學(xué)方法的發(fā)展和二氧化碳超臨界干燥技術(shù)的出現(xiàn)，才使氣凝膠制備進(jìn)入實(shí)用化階段[4]。20世紀(jì)80年代，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們制備出以苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛縮聚物為代表的合成聚合物有機(jī)氣凝膠，開拓了氣凝膠研究的新領(lǐng)域[5]。Fung Fisher等2001—2006年對(duì)以纖維素衍生物為基礎(chǔ)制備纖維素氣凝膠進(jìn)行了大量研究并取得了系列成果[6]，使得近年來纖維素氣凝膠的研究成為行業(yè)熱點(diǎn)之一。

氣凝膠材料中有大量納米尺度的微孔結(jié)構(gòu)，使其具有80%～99.8%的超高孔隙率、0.003g/cm3～5g/cm3的極低表觀密度、0.013W/mK～0.025W/mK的極低導(dǎo)熱系數(shù)、100m2/g～1 600m2/g的高比表面積，在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、過濾與催化、吸附、高速粒子捕獲和電子領(lǐng)域有著廣泛的用途[7]。氣凝膠的制備有溶膠—凝膠過程和超臨界干燥處理過程。在溶膠—凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，可在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇；團(tuán)簇之間相互粘連可形成固態(tài)骨架和剩余試劑組成的凝膠體。同時(shí)，氣凝膠制備過程中應(yīng)充分考慮合理的干燥技術(shù)。為防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞，一般采用超臨界干燥工藝，即把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變，隨著氣液界面消失，表面張力也消失，成為超臨界態(tài)流體。將超臨界態(tài)流體從壓力容器中釋放后，即可得到具有納米量級(jí)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠。

根據(jù)成分不同，氣凝膠可分為無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、無機(jī)有機(jī)復(fù)合氣凝膠。無機(jī)氣凝膠如二氧化硅氣凝膠，有機(jī)氣凝膠如各種合成聚合物氣凝膠和碳?xì)饽z，無機(jī)有機(jī)復(fù)合氣凝膠如聚合物/二氧化硅復(fù)合氣凝膠、纖維素/二氧化硅復(fù)合氣凝膠等。一般無機(jī)氣凝膠比較脆，易碎，屬非可燃材料；而有機(jī)氣凝膠，特別是纖維素氣凝膠的韌性較好，但熱穩(wěn)定性較差，有一定的使用溫度限制。

纖維素氣凝膠屬于無機(jī)氣凝膠和聚合物氣凝膠之后出現(xiàn)的新型氣凝膠材料，其本質(zhì)是安全可降解的植物成分。原材料可取材于植物纖維，一種自然界最豐富的生物質(zhì)原料，來源廣泛。纖維素氣凝膠在保持氣凝膠材料絕熱保溫等特性的同時(shí)，還擁有專屬于纖維素氣凝膠的特性：生物相容性和可降解性[6]，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ纳镱惥酆衔锊牧?。纖維素氣凝膠根據(jù)制備方法和材料主要分三類：天然纖維素氣凝膠、再生纖維素氣凝膠和纖維素衍生物氣凝膠。盡管纖維素氣凝膠目前還沒有產(chǎn)業(yè)化，但近年來研究人員開發(fā)出很多低成本制造纖維素氣凝膠的技術(shù)，可用天然木材、回收木料或其他纖維材料為原料，制造出具有良好機(jī)械壓縮性、耐脆性和保溫性的纖維素氣凝膠。例如，美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校的科學(xué)家們開發(fā)的纖維素氣凝膠，垂直于纖維素排列方向的導(dǎo)熱系數(shù)為0.028W/mK，接近常用二氧化硅氣凝膠0.02W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)[8]，表明纖維素氣凝膠和硅氣凝膠具有類似的傳熱性能，用于半透明幕墻復(fù)合板時(shí)可表現(xiàn)出相近的保溫能力。但從原材料豐富程度和制備方法經(jīng)濟(jì)性上看，纖維素氣凝膠無疑更有優(yōu)勢(shì)。

二、氣凝膠材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

氣凝膠具有超低傳熱系數(shù)，使其成為傳統(tǒng)保溫絕熱材料，如巖棉、玻璃棉等纖維多孔材料，聚氨酯、聚苯等發(fā)泡材料的理想替代品，因此國(guó)內(nèi)外氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞其絕熱應(yīng)用展開，氣凝膠熱利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展比較成熟。特別是在航空航天、車輛船舶、精密儀器、石油化工、電力冶金領(lǐng)域，溫差大、絕熱要求高、安裝空間有限的環(huán)境中，大多情況下只有利用氣凝膠材料才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，這些行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，為氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來客觀需求，對(duì)單位價(jià)格高的氣凝膠材料接受度較高。

不同的是，在建筑工程和服裝鞋帽生產(chǎn)領(lǐng)域，因?yàn)閱挝划a(chǎn)品的價(jià)值量相對(duì)較低，可替代材料又較多，因此對(duì)氣凝膠材料的單價(jià)比較敏感，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來在建筑工程和服裝鞋帽生產(chǎn)領(lǐng)域中大規(guī)模應(yīng)用氣凝膠的案例相對(duì)較少。不過伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，特別是城鎮(zhèn)化加速，節(jié)能降耗政策趨嚴(yán)，實(shí)施多年的納米材料戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，以及氣凝膠產(chǎn)業(yè)化的深入，技術(shù)升級(jí)和成本降低，建筑領(lǐng)域正在成為氣凝膠產(chǎn)品應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，這也會(huì)成為我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)。得益于巨大的市場(chǎng)需求潛力，當(dāng)前我國(guó)大學(xué)和各研究機(jī)構(gòu)對(duì)氣凝膠技術(shù)的研發(fā)非常重視，我國(guó)企業(yè)也對(duì)低成本氣凝膠技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化投入了很多資源，使得目前我國(guó)在氣凝膠材料研發(fā)和市場(chǎng)化方面均具有自己的部分核心技術(shù)和一定的國(guó)際影響力。為規(guī)范行業(yè)發(fā)展，提升產(chǎn)品質(zhì)量，我國(guó)于2017年研究制定出了第一部氣凝膠產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》（GB/T34336-2017），并于2018年9月1日實(shí)施[9]。

（一）國(guó)外氣凝膠市場(chǎng)

Allied Market Research公司于2014年發(fā)布的報(bào)告顯示，全球氣凝膠的市場(chǎng)價(jià)值將由2013年的2.218億美元，增長(zhǎng)到2020年的18.966億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)的年復(fù)合增加率達(dá)36.4%[10]（見圖1）。但隨著中國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)成熟壯大，全球氣凝膠行業(yè)發(fā)展速度將加快。

費(fèi)里多尼亞集團(tuán)的《2011年全球隔熱材料報(bào)告》顯示，目前全球絕熱材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá)321億美元，未來年增長(zhǎng)率為6.3%，市場(chǎng)廣闊。而目前氣凝膠材料在整個(gè)絕熱材料市場(chǎng)中的規(guī)模微不足道，約有0.5億美元，這說明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處在早期的起步階段，隨著時(shí)間推移其未來發(fā)展前景巨大[10]?？梢?，當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)上制約氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素還是其較為昂貴的價(jià)格，一旦氣凝膠制備成本降低，將大大促進(jìn)其生產(chǎn)，市場(chǎng)規(guī)模會(huì)急劇擴(kuò)大，產(chǎn)銷量會(huì)大幅提升，快速替代傳統(tǒng)絕熱材料。

（二）國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)

相較于國(guó)外市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)起步較晚，前期主要依靠進(jìn)口，銷售國(guó)外生產(chǎn)的氣凝膠，進(jìn)口產(chǎn)品及外資企業(yè)產(chǎn)品長(zhǎng)期占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，進(jìn)口量有限以及價(jià)格高的問題一度是制約國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)發(fā)展的重要因素。同時(shí)，由于市場(chǎng)推廣度不高，使用者更傾向于使用傳統(tǒng)保溫材料。

而隨著國(guó)內(nèi)氣凝膠產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)企業(yè)不斷增多，實(shí)力不斷增強(qiáng)，氣凝膠的產(chǎn)量不斷提升，成本不斷下降。目前，氣凝膠行業(yè)是我國(guó)與世界同行技術(shù)發(fā)展基本同步且具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)顯示，2016年，我國(guó)的氣凝膠產(chǎn)量約為1.83萬噸，年均增速在25%左右[11]（見圖2），保持著較高的增長(zhǎng)率，氣凝膠市場(chǎng)的發(fā)展前景可觀。

圖2 國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模

目前，國(guó)內(nèi)氣凝膠材料需求主要集中于航天航空、軍事等軍用領(lǐng)域；民用領(lǐng)域的石油化工、軌道交通、電力工業(yè)、礦井及城鎮(zhèn)熱力管網(wǎng)已經(jīng)形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模；建筑節(jié)能、服裝鞋帽領(lǐng)域開始少量試用。隨著我國(guó)氣凝膠材料市場(chǎng)價(jià)格不斷下降，使用氣凝膠材料的成本費(fèi)用幾乎接近傳統(tǒng)高質(zhì)量保溫材料的價(jià)格區(qū)段；加上氣凝膠材料具有節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，比之傳統(tǒng)材料更勝一籌，氣凝膠材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步擴(kuò)大。預(yù)計(jì)2020年我國(guó)國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)總額將達(dá)到37.16億元，其中建筑節(jié)能領(lǐng)域?qū)⑦_(dá)到10.59億元，約占總量的28%[11]（見圖3）；建筑節(jié)能工程中的使用量預(yù)計(jì)為66 000m3～71 000m3（約可覆蓋660萬m2～710萬m2的建筑墻體、屋面或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)）。2017—2018年國(guó)內(nèi)氣凝膠行業(yè)主要企業(yè)及市場(chǎng)上代表氣凝膠產(chǎn)品類型、產(chǎn)量、主要性能參數(shù)及報(bào)價(jià)信息如表1所示。大部分廠家通過與國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)合作，或自有研究機(jī)構(gòu)的努力，都具有氣凝膠研發(fā)生產(chǎn)能力。產(chǎn)品以二氧化硅基氣凝膠為主，主要是各種纖維復(fù)合二氧化硅氣凝膠氈，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還未見產(chǎn)業(yè)化的纖維素氣凝膠產(chǎn)品。

圖3 2020年國(guó)內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)各領(lǐng)域應(yīng)用份額預(yù)測(cè)

（三）氣凝膠適用性特點(diǎn)及在建筑幕墻中的應(yīng)用

1.傳統(tǒng)氣凝膠與纖維素氣凝膠在建筑領(lǐng)域的適用性。這里的傳統(tǒng)氣凝膠主要指以二氧化硅為代表的無機(jī)氣凝膠、各種有機(jī)聚合物氣凝膠，以及無機(jī)有機(jī)復(fù)合的不具有可降解性和生物相容性的氣凝膠。二氧化硅基氣凝膠一般通過溶膠—凝膠法制備，工藝技術(shù)成熟；相對(duì)纖維素氣凝膠的優(yōu)勢(shì)之一在于其是非可燃材料，很容易達(dá)到A級(jí)耐火，因此二氧化硅基氣凝膠應(yīng)用于建筑領(lǐng)域受溫度限制比較小，目前產(chǎn)量與用量最大。不利之處在于其材料脆性，不如纖維素氣凝膠韌性好，易碎，因此用于建筑產(chǎn)品需要復(fù)合構(gòu)造保護(hù)。

表1 國(guó)內(nèi)主要?dú)饽z廠家統(tǒng)計(jì)及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上氣凝膠產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)（2017—2018年）

纖維素氣凝膠與傳統(tǒng)氣凝膠相比其保溫性能接近，絕熱能力并沒有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。且纖維素氣凝膠溫度穩(wěn)定性較差，耐火等級(jí)低，因此使用環(huán)境溫度受到一定限制。同時(shí)，材料強(qiáng)度比較低，也需要復(fù)合構(gòu)造保護(hù)。相對(duì)于硅基氣凝膠，纖維素氣凝膠的優(yōu)勢(shì)之一在于原料來源廣泛，雖然目前產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不成熟導(dǎo)致其價(jià)格高昂，但是一旦產(chǎn)業(yè)化成熟，其產(chǎn)品單位價(jià)格應(yīng)比硅基氣凝膠更低，潛在的經(jīng)濟(jì)性更好。相對(duì)于航空航天船舶工業(yè)等領(lǐng)域，民用建筑單位面積造價(jià)低的多。目前制約氣凝膠材料在民用建筑領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸依然還是經(jīng)濟(jì)性因素，纖維素氣凝膠可能提供一種更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

2.纖維素氣凝膠半透明復(fù)合板材在節(jié)能幕墻中的應(yīng)用。氣凝膠材料單位面積造價(jià)較高，如果大量用于建筑，首先在幕墻保溫領(lǐng)域使用從性價(jià)比上看是合適的。建筑墻面屋面常用保溫材料，如聚苯板、聚氨酯發(fā)泡層、玻璃纖維保溫氈等材料，單位面積價(jià)格約為5元/m2～30元/m2，遠(yuǎn)低于氣凝膠材料的單位面積價(jià)格100元/m2～450元/m2，因此氣凝膠用于建筑墻面屋面等不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)代替聚苯板等保溫材料不經(jīng)濟(jì)。而建筑幕墻用的保溫玻璃面板單位面積價(jià)格約為30元/m2～150元/m2，價(jià)格區(qū)間比較接近于氣凝膠材料的價(jià)格區(qū)間?？紤]到纖維素氣凝膠產(chǎn)業(yè)化后可能帶來的價(jià)格降低，以及氣凝膠本身保溫性比現(xiàn)有幕墻保溫玻璃面板中空氣間層更好，從而帶來節(jié)能增益，把纖維素氣凝膠，甚至造價(jià)較低的硅氣凝膠用于高性能節(jié)能幕墻從性價(jià)比上看可能滿足。

同時(shí)，國(guó)外氣凝膠復(fù)合玻璃用于建筑節(jié)能窗的實(shí)驗(yàn)研究案例表明，氣凝膠材料可有效提升建筑冬季節(jié)能性[12]，這與筆者的研究結(jié)論相似。通過熱箱對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)能耗模擬得到的結(jié)果表明，氣凝膠半透明復(fù)合板用于建筑幕墻中能提升建筑冬季節(jié)能性，但對(duì)建筑夏季節(jié)能性幾乎沒有太大貢獻(xiàn)，反而可能有負(fù)作用。比如，在以天津市為代表的寒冷地區(qū)采用半透明氣凝膠復(fù)合板的36m2實(shí)驗(yàn)建筑，與同樣透過率采用單層貼遮陽膜普通玻璃的同樣實(shí)驗(yàn)建筑相比，年總熱負(fù)荷密度可降低11.6Kwh/m2～21.5Kwh/m2，半透明氣凝膠復(fù)合板相對(duì)于該普通玻璃可帶來的建筑冬季熱負(fù)荷降低約為31%～25%。假設(shè)該節(jié)能建筑冬季采用地源熱泵或風(fēng)冷熱泵節(jié)能采暖技術(shù)，經(jīng)測(cè)算，半透明氣凝膠復(fù)合板相對(duì)于該普通玻璃可使36m2實(shí)驗(yàn)建筑每年節(jié)約57～183元的采暖電費(fèi)。

但是采用半透明氣凝膠復(fù)合板的36m2實(shí)驗(yàn)建筑與采用單層貼遮陽膜普通玻璃的同樣實(shí)驗(yàn)建筑相比，年總冷負(fù)荷密度幾乎一樣，差值范圍在-0.57Kwh/m2～0.02 Kwh/m2之間，變化率為-1.88%～0.53%。如果用空調(diào)制冷，則具有氣凝膠半透明復(fù)合板的36m2實(shí)驗(yàn)建筑甚至比具有單層貼膜普通玻璃的同樣建筑每年還多浪費(fèi)0～4元空調(diào)電費(fèi)，可見氣凝膠半透明保溫板在建筑夏季節(jié)能方面并沒有作用。大量模擬研究數(shù)據(jù)表明，氣凝膠半透明復(fù)合板在節(jié)能建筑幕墻中應(yīng)用時(shí)有一定的地域限制。一般條件下，氣凝膠半透明復(fù)合板在我國(guó)嚴(yán)寒氣候區(qū)、寒冷氣候區(qū)比較適用，是有潛力的節(jié)能技術(shù)；而在夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和氣候區(qū)其效能并不高，考慮到造價(jià)因素，氣凝膠半透明復(fù)合板在這些地區(qū)可能并非高效適用的節(jié)能技術(shù)。總體而言，冬季耗能為主的氣候區(qū)更適合采用氣凝膠復(fù)合保溫板的幕墻。

三、結(jié)論與展望

氣凝膠作為一種新型輕質(zhì)納米多孔絕熱材料，長(zhǎng)期用于航空、航天、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。纖維素氣凝膠因其原材料來源廣泛、可生物降解以及生物相容性等特點(diǎn)，成為有潛力的納米新材料。目前，由于纖維素氣凝膠產(chǎn)業(yè)化條件還不夠成熟，傳統(tǒng)的硅氣凝膠材料依然是市場(chǎng)主流。隨著我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是近年來氣凝膠企業(yè)生產(chǎn)能力的提升，以及纖維素氣凝膠的逐漸產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)價(jià)格更低的新型氣凝膠保溫材料，并為在建筑領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。

以纖維素氣凝膠為代表的低造價(jià)氣凝膠半透明復(fù)合板從性價(jià)比角度而言，不太適合不透明建筑屋面墻面，而更適合用于建筑幕墻，以提升幕墻節(jié)能性。其在節(jié)能建筑幕墻中應(yīng)用時(shí)還有一定的地域限制。一般條件下，我國(guó)嚴(yán)寒氣候區(qū)、寒冷氣候區(qū)比較適用氣凝膠半透明復(fù)合板，以達(dá)到建筑節(jié)能的目的；而在夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和氣候區(qū)其帶來的節(jié)能效果并不明顯?？紤]到造價(jià)和節(jié)能效能，冬季耗能為主的氣候區(qū)的幕墻更適合采用氣凝膠復(fù)合保溫板。