氣凝膠玻璃在不同氣候區下對降低建筑采暖空調能耗的研究

黃冬娜

（廣州市設計院集團有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

我國建筑能耗總量逐年上升，在社會終端能源消耗中的占比已超過20%，推動建筑節能有節約資源、保護環境、促進經濟社會可持續發展等重要意義。公共建筑作為我國城鎮化進程中資源、能源的主要消耗者，采暖空調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能耗是決定建筑節能減排工作成效的重要因素。隨著節能減排工作的推進，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，越來越受行業內重視，其傳熱系數遠遠低于普通的雙層玻璃，可以大大降低建筑熱量流失，具有節能降耗的作用。

1 氧化硅氣凝膠特性

二氧化硅氣凝膠材料隔熱性能優越，導熱系數約為0.013～0.016W/（m·K），比空氣0.024W/（m·K）的熱導系數還要再低。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，有實驗表明，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增益。在光學性能上，由于硅氣凝膠的量子點結構，采用化學氣相滲透法摻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，硅氣凝膠的折射率約等于1，而且對紅外光和可見光的湮滅系數的比值可以達100以上[2]，可以在保證透過太陽光中的可見光部分，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用研究

A.S.Bahaj將氣凝膠玻璃窗作為具有巨大發展潛力的玻璃窗技術，中空6+12a+6的雙層玻璃窗的傳熱系數為1.4W/（m2·K），相同厚度下，25mm氣凝膠玻璃的傳熱系數僅為0.57W/（m2·K），同時氣凝膠玻璃透光率為45%，太陽能總透射率為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物廣場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超級隔熱氣凝膠玻璃，測得其中心位置的傳熱系數值為0.66W/（m2·K），整體傳熱系數值為0.72W/（m2·K），太陽能總透射率達76%；其中所使用的整塊二氧化硅氣凝膠在大氣壓下的熱導率為0.017W/（m·K），在10～50hPa低真空下的熱導率為0.010W/（m·K），厚度為15mm的整體二氧化硅氣凝膠的太陽能透射率約為90%。他們最近的研究發現可通過增加氣凝膠的厚度來降低氣凝膠玻璃的傳熱系數，如厚度為20mm氣凝膠玻璃的值可低于0.5W/（m2·K），同時具有高于75%的太陽能總透射率[3]。

3 氣凝膠玻璃在五大熱工分區對建筑能耗的影響

3.1 建筑模型

為了分析氣凝膠膠玻璃對空調能耗的影響，選用Schultz測試的4mm超白+15mm氣凝膠+4mm超白玻璃的復合玻璃為研究對象，取其傳熱系數為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，進行模擬計算。所取氣象參數為中國標準氣象參數（CSWD）。模型如圖1所示，3層，層高3m，其中各個房間均設置為進深4m，開間3m的辦公室，分朝向單個房間空調面積為13.64m2，總建筑空調面積982.08m2。

圖1 建筑模型

在模擬的過程中，建筑物設置參數如表1所示，其中參數選取均根據《公共建筑節能設計標準》取值，采用全天空調（0：00—23：00）工況。

表1 熱工參數

3.2 計算結果（見表2、圖2、圖3）

圖3 節能率

表2 負荷計算結果

圖2 總負荷比較

3.3 結論

（1）在五個熱工氣候區內，采用氣凝膠玻璃的建筑采暖空調總負荷均小于普通標準玻璃的建筑采暖空調總負荷。

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

（3）除了溫和地區，其他熱工分區均為熱負荷節能率遠遠大于冷負荷節能率，尤其在寒冷地區和嚴寒地區，采用氣凝膠玻璃的建筑空調冷負荷反而大于普通標準玻璃的空調冷負荷。這是由于在全天空調（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，使建筑物夜間無法及時利用嚴寒地區和寒冷地區較為有利的室外條件進行散熱，增加空調能耗。

4 結語

氣凝膠玻璃在熱工性能，隔聲性能和光學性能均具有明顯的優勢，是未來外窗節能發展的主要研究對象。通過對采用氣凝膠玻璃的建筑進行采暖空調能耗分析，得出除溫和地區外，其他氣候區空調冷負荷節能率遠遠小于采暖熱負荷節能率，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能作用。由于模擬計算中采用公共建筑節能標準中的全天空調工況，使在嚴寒和寒冷地區采用氣凝膠玻璃的建筑空調冷負荷反而大于普通標準玻璃的空調冷負荷，實際空調運行工況下采用氣凝膠玻璃建筑在空調季中的節能效果還有待進一步模擬驗證，但整體上，采用氣凝膠玻璃的建筑在建筑總體采暖空調能耗方面具有節能效果。