納米氣凝膠作為檔案庫房墻體保溫材料的實踐研究

張建明/上海市檔案館

1 檔案館隔熱材料特點分析

檔案館建筑能耗最大的主要是采暖和制冷空調設備，約占總能耗的60%—70%。在采暖和制冷空調設備的耗能中，50%以上的能量又因圍護結構傳熱而消耗。因此，在外圍護結構上使用保溫隔熱材料是節約能源、提高建筑功能的一個重要舉措。常用的隔熱保溫材料可分為無機保溫材料和有機保溫材料，無機保溫材料分為膨脹珍珠巖、加氣混凝土、巖棉、玻璃棉等，有機保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。無機材料有阻燃、耐腐蝕等特點，有機材料有良好的疏水性[1]。保溫材料一般具有輕質、疏松、呈多孔狀或纖維狀的特性，能夠使得空氣在材料的空隙間不流通，確保溫度流失緩慢。保溫材料性能的優劣主要取決于材料的導熱系數，導熱系數越小，保溫性能越好。

在檔案館使用的保溫隔熱材料，要求其具有阻燃、憎水、無毒性、無揮發性氣味、強度高、質量輕、抗腐蝕等特性。相比較而言，常用的保溫隔熱材料都存在一些問題，比如泡沫塑料導熱系數小、隔熱保溫效果好，但卻極度易燃，上海“11·15”特大火災就是因為這種保溫材料易燃造成的；巖棉、玻璃棉等纖維狀隔熱保溫材料能承受高溫度，但容易吸取空氣中的濕氣；粉末材料阻燃，但導熱系數大，容易吸取空氣中的濕氣并腐爛[2]。因此，研究節能和防火兼備、輕質環保的保溫材料是當務之急[3]。氣凝膠作為一種新的保溫隔熱材料，在國內主要應用于軍工、航空航天等重要領域，民用還沒有大規模展開，但隨著軍民融合的不斷深入，勢必會越來越多地應用于民用建筑中。在檔案庫房中應用氣凝膠，具有重要意義。

2 氣凝膠的特性分析和研究現狀

氣凝膠是一種具有納米結構的多孔材料，密度僅為3.55kg/m3，被稱為世界上最輕的固體。這種物質看上去像凝固的煙，非常柔弱，實則堅固耐用，最高能承受1000℃的高溫。其最初應用于航空航天方面，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用到了氣凝膠材料。氣凝膠的成分和玻璃一樣，都是二氧化硅，但氣凝膠99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。目前國外關于氣凝膠材料的研究主要集中在德國的維爾茨堡大學、法國的蒙彼利埃材料研究中心、日本高能物理國家實驗室、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室[4]。國內有同濟大學、清華大學、國防科技大學等高校開展研究，特別是同濟大學在1991年開始全面開展氣凝膠的研制與應用工作，是國內研究最早、研究最廣的單位。

3 檔案庫房墻體保溫材料實踐過程

3.1 實踐場所的選取及前期準備工作

選取上海市閔行區檔案保管中心的一間低溫庫房，開展氣凝膠應用檔案庫房保溫隔熱的實踐。庫房位于保管中心大樓3層南面，南墻為建筑外墻，北、東、西墻為內墻，分別與走道和設備機房、電梯井相鄰。房間東西向長7.8m，南北向寬7.2m，高度為3.4m。由于該房間主要存放影像資料，所需要的室內環境要求為常年保持14℃，與其他庫房的環境要求差異較大。因此該房間由獨立的空調通風系統來保證室內的溫濕度要求。其中空調系統風量為7000m3/h，換氣次數達到37次/h。庫房所涉及的圍護結構包括南向外墻、東西北向的內墻，以及分隔各層的樓板，外墻采用內外保溫，材料為外側40厚I型無機保溫砂漿，內側為30厚II型無機保溫砂漿；內墻材料為200mm輕質磚+50mm珍珠巖水泥砂漿；樓板采用100mm混凝土+60mm混凝土找平。

本次實驗選用的二氧化硅納米保溫氈（見圖1），是一種由納米二氧化硅氣凝膠與無機纖維材料通過特殊工藝復合而成的氈狀材料，復合后的氈狀材料有一定柔性，可根據需要任意彎曲且不影響其保溫、不燃、憎水等性能[5]。

3.2 工程實施過程[6]

一是墻體保溫施工，保溫氈按豎直方式鋪貼，每幅豎縫擠緊拼接；鋪貼或固定后，接縫處再次擠緊，氈的縫寬小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實。

二是除門窗洞口外，內保溫同一層墻體保溫氈不宜產生水平接縫。保溫氈施工應在粘結砂漿干燥固化前施工，中途停頓或每天施工結束，墻面多余的粘結砂漿應清理干凈。

三是保溫氈粘貼方法要求：內保溫采用滿粘（粘貼面積不得少于保溫氈面積的80%），混凝土屋面保溫和樓地面保溫采用條粘或點粘，建筑幕墻保溫不粘貼，直接錨固件固定。

四是石膏板接縫與保溫氈接縫內外錯開，錨固件固定避開暗線管位置。內保溫施工錨固件固定水平、豎直最小間距均不得大于500mm，錨固件離石膏板邊緣間距不得大于80mm；幕墻保溫施工錨固件固定水平、豎直間距均不得大于450mm，錨固件離防護面層邊緣間距不得大于80mm，也可齊縫固定。

五是建筑幕墻保溫氈施工，每幅鋪貼長度控制在5—8m，遇主角碼位置，割開保溫氈嵌入，露出主角碼，保溫氈切開部位翻邊用60mm寬鋁箔膠帶密閉處理，每邊搭接不少于25mm，防止保溫氈基材毛邊或裸露。

六是保溫氈接縫采用平縫擠緊拼接，水平接縫應逐行錯縫；錨固后，接縫處再次擠緊，氈的縫寬應小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實；最后用60mm寬鋁箔膠帶沿縫中間貼上，每邊搭接不少于25mm。

七是屋面保溫氈鋪設：粘結砂漿采用條粘或點粘，沿屋脊方向從一端開始向另一端拉線鋪設，采用平縫擠緊拼接施工，豎縫應逐行錯縫，縫寬應小于2mm，若大于等于2mm，用EPS板條嵌縫密實。若分層鋪設，其上下兩層應錯開。

八是樓地面與墻交接部位保溫氈翻起100mm，踢腳線鋪設時覆蓋。若工程墻體內保溫、樓地面保溫均采用保溫氈施工，樓地面與墻交接部位保溫氈不宜斷開。

九是嚴禁重物或尖物撞擊墻面和門窗框，以免損傷破壞，對碰撞壞的墻面及門窗框應及時修復[7]。

3.3 實踐的數據采集

在實際工況條件下，跟蹤記錄實驗房間室內外溫濕度的變化，以及由此產生的空調負荷。在充分進行現場示范工程調研的基礎上，制定了示范工程的測試方案，方案綜合考慮了現有監測系統以及自記型溫濕度儀器的特點，實時記錄測試期間通過圍護結構傳熱引起的冷熱負荷，空調系統承擔的冷熱負荷；通過在夏季1—2個月的實時運行數據采集，統計分析兩者的熱量平衡，以此模擬預測全年的空調負荷和相應的能耗。

3.3.1 環境監測系統測試布點方案（見圖2）。在現有空調系統的自動控制平臺上，增加關鍵部位的溫濕度傳感器，通過實時監測，記錄實驗工況下的溫濕度數據。布點上主要考慮實驗庫房四周不同墻體內外側的溫度，空調系統供回風側溫濕度。對于墻體內外表面的壁面溫度，采用鉑電阻溫度傳感器嵌入墻體，內部用導熱硅膠填充，表面磨平。

圖1：實驗場所采用的納米二氧化硅保溫氈

圖2：實驗場所傳感器布置示意圖

3.3.2 溫濕度自記儀布置方案?，F有的環境監測系統主要監測的是墻體壁面溫度和空調系統內部溫度，尚無法覆蓋實驗房間及其周邊的空氣溫度，因此在監測系統的基礎上，在房間內部和四周走道以及上下層空間內放置溫濕度自記儀作為自動監測數據的補充，共同參與計算分析。

3.3.3 熱平衡原理。利用熱平衡方程，建立圍護結構負荷與空調系統負荷的關系，以此論證氣凝膠材料的節能效果；通過對1—2個月監測數據的統計，推算全年的節能效果。

其中室內熱平衡基本公式如下：

圍護結構傳熱在監測期形成的累計熱負荷：

Q圍護結構=∑KF（tout-tin）τ

由于庫房只有兩個內門與3層外間連接，因此需要考慮鄰室滲透引起的冷負荷：

Q滲透=∑m（i外-i內）τ

空調系統在監測期間承擔的累計熱負荷：

Q空調系統=∑m（tin-t入口)τ

因此在實際工況下，只要記錄過程中的溫濕度情況，就可獲得房間圍護結構的傳熱系數，并與實際圍護結構的實驗室數據進行對比矯正。

從氣象數據庫中獲取上海地區常年的室外氣象參數，就可以獲得理論條件下的室內冷熱負荷，對比非內保溫工況下的負荷值，便可以獲得負荷節約量和對應的理論節能量。

本次現場數據采集實驗在示范建筑的內保溫工程、庫房獨立空調系統及其環境監測系統安裝調試完成后進行，時間位于2017年夏末秋初，室外溫度在20—30℃之間波動，連續記錄日期為2017年9月7日至9月29日，共三周時間，數據采集周期為10分鐘。室外空氣溫度基本在20—30℃范圍變化，且總體上有逐日下降的趨勢；2層與4層溫度隨著室外的氣溫變化也逐漸下降，在變化波動性方面更加穩定，且由于自然熱壓作用，4層溫度總體高于2層。3層庫房內的溫度總體保持在18±1℃的范圍內，基本滿足了庫房對溫度的設定和變化范圍的要求。另外3層庫房內空氣溫度與相鄰空間的溫差基本在3℃以上。利用庫內外空間空氣溫度的差值并結合空間隔斷圍護結構的傳熱系數，便可以計算圍護結構的傳熱負荷，每個時間點的傳熱負荷可以定義為該時間點附近時間間隔內（本次監測時間間隔設定在10分鐘）的傳熱量，利用累加的方法，便可以得到一段監測時間內累計的傳熱量。

室外空氣相對濕度隨著早晚氣溫的變化和陰晴狀況變化波動明顯，在45—95%的大范圍區間內波動，相比之下室內各層的相對濕度變化范圍較窄，其中3層庫房的相對濕度在75%±5%的范圍內波動，4層空氣相對濕度在70%±5%的范圍內波動，而2層空氣相對濕度在80%±5%的范圍內波動。

3.4 熱平衡分析

按照熱平衡原理和計算方法，分別計算空調系統進回風口的提供的冷熱負荷，圍護結構傳熱形成的冷負荷以及滲透因素形成的冷負荷，其熱平衡關系為：

Q空調系統=Q圍護結構＋Q滲透

進而得到：

∑空調出風－∑空調回風=∑外墻＋∑內墻＋∑樓板＋∑滲透

在上述平衡計算中，隱藏著唯一一個變量，就是內保溫材料的實際導熱系數修正αλ，利用熱平衡關系，通過試算的方法，便可以求得αλ的值。該值是一個≥1的數值，越接近1說明內保溫材料實際導熱系數越接近實驗室測試數據。

通過計算，保溫氈的導熱系數修正為1.048，非常接近實驗室數據，由此說明示范工程的現場施工工藝可以有效地保障保溫氈的保溫效果。

3.5 全年節能效果分析

分析思路：利用上海市典型氣象年的逐時氣象數據，模擬庫房空調全年的環境，從而分別計算有無保溫氈條件下的空調負荷。另外假設獨立空調系統全年平均COP為3.0，從而推算有無保溫氈空調系統的耗電量，最終分析得到全年庫房的節能量。

3.5.1 上海市典型氣象年的逐時氣象數據

本實踐工程位于上海市閔行區檔案保管中心，能耗模擬與對比分析所采用的庫房室內溫度設定在16℃，庫房以外的其他區域設定在25℃。節能模擬計算分析采用的氣象數據為專為上海地區進行能耗模擬計算的上海地區典型氣象年逐時氣溫數據。典型氣象年是由12個具有最接近歷史平均值統計意義的典型月組成的“假想”氣象年[8]。

3.5.2 檔案館庫房室內溫度的設定

根據檔案館室內環境參數的設計要求，能耗模擬與對比分析所采用的庫房室內溫度設定在16℃，庫房以外的其他區域設定在25℃。

3.5.3 庫房分時冷熱負荷計算

根據庫房及其周邊空間的設計溫度、室外典型氣象年逐時溫度、圍護結構改造前后的傳熱系數，使用傳熱公式可以求得庫房逐時冷熱負荷。

3.5.4 全年耗電量對比與節電效果評價

對模擬工況下庫房圍護結構進行內保溫節能改造前后全年耗電量進行累計和對比，其中假定低溫空調系統的年平均COP為3.0。經計算，庫房圍護結構節能改造前全年累計的耗電量為14064.6kWh，改造后全年累計耗電量為7740.1kWh，節能率達45%。

4 結語

在基于實驗獲得的材料實際傳熱系數的基礎上，結合上海市典型氣象年逐時溫度，模擬計算并對比分析了庫房節能改造前后空調系統的耗電量及其相關電費；同時根據節能工程的初投資，計算了該節能隔熱材料的靜態投資回收期為16.94，因此投資回收期較長。這與該材料目前市場的成熟度、使用量不夠，產品的生產規模效應尚沒有釋放有密切關系。待通過該材料量產后，市場價格由500元/m2降至230元/m2甚至更低的時候，投資回收期可控制在8年以內，從而獲得較好的經濟效益。