氣凝膠玻璃在不同氣候區(qū)下對(duì)降低建筑采暖空調(diào)能耗的研究

黃冬娜

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

我國(guó)建筑能耗總量逐年上升，在社會(huì)終端能源消耗中的占比已超過(guò)20%，推動(dòng)建筑節(jié)能有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等重要意義。公共建筑作為我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中資源、能源的主要消耗者，采暖空調(diào)能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～65%，因此降低建筑采暖空調(diào)能耗是決定建筑節(jié)能減排工作成效的重要因素。隨著節(jié)能減排工作的推進(jìn)，具有良好的隔熱性、吸聲特性和高透光性的二氧化硅氣凝膠雙層夾芯玻璃，越來(lái)越受行業(yè)內(nèi)重視，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通的雙層玻璃，可以大大降低建筑熱量流失，具有節(jié)能降耗的作用。

1 氧化硅氣凝膠特性

二氧化硅氣凝膠材料隔熱性能優(yōu)越，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.013～0.016W/（m·K），比空氣0.024W/（m·K）的熱導(dǎo)系數(shù)還要再低。二氧化硅氣凝膠密度為3.55kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍，是目前密度最低的固體。在聲學(xué)性能上，二氧化硅氣凝膠聲阻抗變化范圍在103～107kg/m2·s之間，有實(shí)驗(yàn)表明，采用密度約為300kg/m3的二氧化硅氣凝膠作為隔音材料，能使聲強(qiáng)提高30dB，若采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可以獲得更好的聲強(qiáng)增益。在光學(xué)性能上，由于硅氣凝膠的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60形成的摻雜劑是以納米晶粒的形式存在[1]，具有較高的可見光反射率。同時(shí)，硅氣凝膠的折射率約等于1，而且對(duì)紅外光和可見光的湮滅系數(shù)的比值可以達(dá)100以上[2]，可以在保證透過(guò)太陽(yáng)光中的可見光部分，并有效地隔絕紅外光，是一種理想的透明隔熱材料。

2 氣凝膠在玻璃中的應(yīng)用研究

A.S.Bahaj將氣凝膠玻璃窗作為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ牟ＡТ凹夹g(shù)，中空6+12a+6的雙層玻璃窗的傳熱系數(shù)為1.4W/（m2·K），相同厚度下，25mm氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)僅為0.57W/（m2·K），同時(shí)氣凝膠玻璃透光率為45%，太陽(yáng)能總透射率為43%。氣凝膠玻璃具有高性能、低密度和較好透光性的特性尤其適合于購(gòu)物廣場(chǎng)和游泳池的采光屋頂[3]。

Schultz等把15mm厚的整塊二氧化硅氣凝膠夾入雙層4mm超白玻璃中間，制成550mm×550mm超級(jí)隔熱氣凝膠玻璃，測(cè)得其中心位置的傳熱系數(shù)值為0.66W/（m2·K），整體傳熱系數(shù)值為0.72W/（m2·K），太陽(yáng)能總透射率達(dá)76%；其中所使用的整塊二氧化硅氣凝膠在大氣壓下的熱導(dǎo)率為0.017W/（m·K），在10～50hPa低真空下的熱導(dǎo)率為0.010W/（m·K），厚度為15mm的整體二氧化硅氣凝膠的太陽(yáng)能透射率約為90%。他們最近的研究發(fā)現(xiàn)可通過(guò)增加氣凝膠的厚度來(lái)降低氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)，如厚度為20mm氣凝膠玻璃的值可低于0.5W/（m2·K），同時(shí)具有高于75%的太陽(yáng)能總透射率[3]。

3 氣凝膠玻璃在五大熱工分區(qū)對(duì)建筑能耗的影響

3.1 建筑模型

為了分析氣凝膠膠玻璃對(duì)空調(diào)能耗的影響，選用Schultz測(cè)試的4mm超白+15mm氣凝膠+4mm超白玻璃的復(fù)合玻璃為研究對(duì)象，取其傳熱系數(shù)為0.72W/（m2·K）。

采用了建筑能耗模擬分析軟件DeST-C，以哈爾濱、北京、武漢、廣州、昆明為例，建立模型，進(jìn)行模擬計(jì)算。所取氣象參數(shù)為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象參數(shù)（CSWD）。模型如圖1所示，3層，層高3m，其中各個(gè)房間均設(shè)置為進(jìn)深4m，開間3m的辦公室，分朝向單個(gè)房間空調(diào)面積為13.64m2，總建筑空調(diào)面積982.08m2。

圖1 建筑模型

在模擬的過(guò)程中，建筑物設(shè)置參數(shù)如表1所示，其中參數(shù)選取均根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取值，采用全天空調(diào)（0：00—23：00）工況。

表1 熱工參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果（見表2、圖2、圖3）

圖3 節(jié)能率

表2 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

圖2 總負(fù)荷比較

3.3 結(jié)論

（1）在五個(gè)熱工氣候區(qū)內(nèi)，采用氣凝膠玻璃的建筑采暖空調(diào)總負(fù)荷均小于普通標(biāo)準(zhǔn)玻璃的建筑采暖空調(diào)總負(fù)荷。

（2）在溫和地區(qū)，采用氣凝膠玻璃的建筑的采暖空調(diào)總負(fù)荷的節(jié)能率、采暖節(jié)能率和空調(diào)節(jié)能率均大于其他氣候區(qū)，且空調(diào)冷負(fù)荷節(jié)能率大于熱負(fù)荷節(jié)能率，氣凝膠玻璃在溫和地區(qū)具有良好的適用性。

（3）除了溫和地區(qū)，其他熱工分區(qū)均為熱負(fù)荷節(jié)能率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷節(jié)能率，尤其在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，采用氣凝膠玻璃的建筑空調(diào)冷負(fù)荷反而大于普通標(biāo)準(zhǔn)玻璃的空調(diào)冷負(fù)荷。這是由于在全天空調(diào)（0：00—23：00）工況，采用氣凝膠玻璃的建筑由于較好的隔熱性能，使建筑物夜間無(wú)法及時(shí)利用嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)較為有利的室外條件進(jìn)行散熱，增加空調(diào)能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

氣凝膠玻璃在熱工性能，隔聲性能和光學(xué)性能均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)外窗節(jié)能發(fā)展的主要研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)采用氣凝膠玻璃的建筑進(jìn)行采暖空調(diào)能耗分析，得出除溫和地區(qū)外，其他氣候區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷節(jié)能率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采暖熱負(fù)荷節(jié)能率，即采用氣凝膠玻璃在降低建筑采暖能耗的方面具有良好的節(jié)能作用。由于模擬計(jì)算中采用公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的全天空調(diào)工況，使在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采用氣凝膠玻璃的建筑空調(diào)冷負(fù)荷反而大于普通標(biāo)準(zhǔn)玻璃的空調(diào)冷負(fù)荷，實(shí)際空調(diào)運(yùn)行工況下采用氣凝膠玻璃建筑在空調(diào)季中的節(jié)能效果還有待進(jìn)一步模擬驗(yàn)證，但整體上，采用氣凝膠玻璃的建筑在建筑總體采暖空調(diào)能耗方面具有節(jié)能效果。