節(jié)能保溫材料在農(nóng)村建筑設計中的應用研究

劉彩玲，劉 杰

（1 楊凌職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065）

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的不斷實施，在廣大農(nóng)村地區(qū)開展新型建筑設計的案例越來越多。這些新型農(nóng)村建筑通過采用更為環(huán)保、保溫節(jié)能效果更好的材料及采用更為環(huán)保的房屋建筑方式等，使其獲得了更為優(yōu)異的綜合居住性能，是一種綠色建筑理念在農(nóng)村建筑設計中的應用體現(xiàn)。在綠色環(huán)保農(nóng)村建筑設計環(huán)節(jié)應用節(jié)能保溫材料，是一種最直接、最高效地實現(xiàn)建筑節(jié)能保溫的舉措。傳統(tǒng)的節(jié)能保溫建筑材料指的是礦渣棉、巖棉、玻璃棉等材料。這些材料雖然具有一定的節(jié)能保溫效果，但隨著高分子復合材料在節(jié)能保溫建筑材料領(lǐng)域開發(fā)程度的逐漸加深，聚氨酯、聚乙烯、酚醛樹脂等建筑節(jié)能保溫材料越來越多，基本已經(jīng)取代了傳統(tǒng)建筑節(jié)能保溫材料。這些高分子復合材料除具有極為優(yōu)異的節(jié)能、保溫性能外，在防潮、抗菌、輕量化設計等方面也具有明顯優(yōu)勢。這些材料目前多應用在城市建筑中，而在農(nóng)村建筑設計領(lǐng)域的應用尚且不多。因此，本文針對鄉(xiāng)村振興背景下節(jié)能保溫材料在農(nóng)村建筑設計中的應用進行研究，旨在為農(nóng)村地區(qū)綠色建筑設計提供借鑒。

1 節(jié)能保溫材料分類與性能分析

1.1 材料分類

傳統(tǒng)的保溫材料通常指的是熱系數(shù)≤0.12的一類材料[1]。較為具有代表性的傳統(tǒng)保溫材料有硅酸鋁纖維、珍珠巖保溫材料、發(fā)泡保溫材料等。隨著我國建筑行業(yè)能耗規(guī)模的不斷增長，傳統(tǒng)保溫材料在節(jié)能方面的劣勢逐漸顯現(xiàn)，保溫材料被賦予了更多節(jié)能、降耗等方面的使命。根據(jù)不同的分類方法，目前農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料可以被分為有機、無機、金屬類，松散型、板狀、整體結(jié)構(gòu)型等種類，如圖1所示。

圖1 建筑節(jié)能保溫材料分類Fig. 1 Classification of energy saving and thermal insulation materials

圖1所示的幾種農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料中，高分子材料本身種類較為豐富，可以根據(jù)建筑設計具體需求對材料進行針對性開發(fā)，從而獲得性能更為優(yōu)異的材料。因此，近年來以高分子材料為基礎開發(fā)的新型節(jié)能保溫材料越來越多。這些高分子建筑節(jié)能保溫材料除了能夠為建筑提供良好的保溫效果外，還可以利用太陽能、風能等為建筑提供一定的儲能作用。因此，本文以高分子材料為例，對鄉(xiāng)村振興背景下農(nóng)村新型建筑設計中的幾種典型節(jié)能保溫材料進行論述。

1.2 性能分析

1.2.1 傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料

傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料經(jīng)歷了約四個階段的發(fā)展，各個階段均有較為典型的代表案例，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料發(fā)展歷程Fig. 2 Development history of traditional polymer energy-saving thermal insulation materials

傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料在第一階段的代表材料有硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料等。該材料熱導率僅有0.020W/(m? K)，經(jīng)過10~20年時間的老化以后，材料的熱導率通常會上升到0.023W/（m?K）左右[2]。與一般的保溫材料相比，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的閉孔率通常高于90%，且在泡沫內(nèi)部能夠進行CO2等的填充劑填充。因此，材料的防水、防潮、隔熱保溫性能等均較為良好。

傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料第二階段的典型代表材料為聚苯乙烯保溫材料。聚苯乙烯保溫材料的熱導率通常可以控制在0.027~0.028 W/(m?K)之間。目前聚苯乙烯保溫材料在農(nóng)村綠色建筑設計中的應用占比高達85%[3]，是最為常見的農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料之一。聚苯乙烯與石墨等材料復合以后，能夠獲得良好的吸振、防潮和化學穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料第三階段的典型代表材料為酚醛樹脂保溫材料。該材料與第一、第二代節(jié)能保溫材料相比除同樣擁有良好的熱導率外，在阻燃性、低毒性等方面具有更為明顯的性能優(yōu)勢。酚醛樹脂保溫材料通常還會與膨脹珍珠巖、麥芽糊等材料進行復合加工，得到性能更為突出的節(jié)能保溫材料。例如，納米二氧化硅粒子對酚醛樹脂進行改性以后，可以得到?jīng)_擊強度更高、阻燃性能更好的節(jié)能保溫材料。

傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料第四階段的典型代表為相變高分子保溫材料。這種保溫材料主要以固相-液相相變材料為主。這種固-液相變材料能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能保溫的原理為：在建筑所處環(huán)境溫度高于材料本身的相變溫度以后，保溫材料的狀態(tài)會由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵藭r材料會產(chǎn)生吸熱效果；反之則由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵藭r材料會產(chǎn)生散熱效果。最常見的相變節(jié)能保溫材料為石蠟與聚烯烴、聚丙烯纖維等材料共混形成的保溫材料。這種材料的相變溫度通常為20~60 ℃之間，熱導率通常在0.063W/(m?K）左右[4]。雖然材料本身熱導率并不理想，但由于材料的相變潛熱可以達到116~145 J/g，因此仍然可以為我國多地農(nóng)村地區(qū)綠色建筑提供良好的節(jié)能保溫效果。

1.2.2 新型節(jié)能保溫高分子材料

傳統(tǒng)的高分子節(jié)能保溫材料大多數(shù)情況下僅能為建筑提供較為理想的隔熱、防潮、阻燃等功能，在儲能、節(jié)能等方面的表現(xiàn)并不突出。而對于未來的農(nóng)村建筑綠色設計工作而言，如何利用材料本身的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)農(nóng)村建筑物的節(jié)能、儲能等工作，正逐漸成為材料開發(fā)與應用領(lǐng)域的重點。新型節(jié)能保溫高分子材料的功能開發(fā)便主要集中在儲能、節(jié)能兩個視角。

圖3所示是一種典型的儲能高分子材料——聚合物太陽能電池。與傳統(tǒng)的單/多晶硅太陽能電池相比，這種以聚合物為基質(zhì)材料開發(fā)的聚合物太陽能電池材料具有污染小、造型可塑性強等優(yōu)點。

圖3 聚合物太陽能電池Fig. 3 Polymer solar cell

據(jù)目前有關(guān)實驗顯示，以聚對苯乙炔為電子給體制備而成的聚合物太陽能電池光點轉(zhuǎn)化效率能夠達到4%~5%；以雙層P/N異質(zhì)結(jié)型聚合物制備的太陽能電池器光電轉(zhuǎn)化率能夠達到7.9%左右[5-7]。與傳統(tǒng)的太陽能電池板相比，聚合物太陽能電池以生產(chǎn)成本低、光電轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)勢成為農(nóng)村綠色建筑設計中應用前景極為廣闊的儲能型高分子材料。利用材料的這一特征，可以將聚合物太陽能電池加工成墻體、玻璃遮陽板、屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，以光能轉(zhuǎn)化后的電能為墻體提供加熱、制冷等功能。

圖4所示是另外一種典型的新型高分子節(jié)能保溫材料——環(huán)境敏感型聚合物材料。這種材料是以熱致變色材料為基礎材料，當材料達到相轉(zhuǎn)變溫度條件時，聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、顏色、外觀等都會發(fā)生變化，從而利用不同溫度下對光、空氣中熱量的吸收或反射達到提升或降低屋內(nèi)溫度的目的。環(huán)境敏感型聚合物材料是一種典型的節(jié)能高分子復合材料。

圖4 環(huán)境敏感型聚合物材料Fig. 4 Environmentally sensitive polymer materials

2 農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料應用

2.1 農(nóng)村建筑對節(jié)能保溫材料的個性化需求

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國當前約有超過95%的農(nóng)村建筑沒有保溫層且建筑整體厚度較薄，直接導致我國農(nóng)村地區(qū)建筑供暖能耗高出城市地區(qū)建筑1.5~2倍左右[8-10]。與高速發(fā)展的現(xiàn)代化城鎮(zhèn)相比，我國農(nóng)村地區(qū)存在面積廣、農(nóng)宅數(shù)量多、經(jīng)濟基礎薄弱、農(nóng)民節(jié)能意識較差等問題。這些問題的存在給農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料的應用帶來了不小困難和阻力，也形成了農(nóng)村地區(qū)不同于城鎮(zhèn)地區(qū)的建筑節(jié)能保溫材料使用需求。

首先，安全實用。農(nóng)村建筑設計所使用的節(jié)能保溫材料要求具有一定的環(huán)保性，既能夠保障室內(nèi)居住人員的身心健康，又能夠降低因建筑施工等行為對農(nóng)村自然環(huán)境造成危害。

其次，節(jié)能降耗。農(nóng)村建筑設計所使用的節(jié)能保溫材料要能夠切實達到幫助農(nóng)村居民降低因制冷或取暖而帶來的過度能耗，拉低農(nóng)村建筑與城鎮(zhèn)建筑之間的能耗差距。

最后，經(jīng)濟美觀。在能夠保證農(nóng)村建筑一定美觀性的同時，要求盡量降低節(jié)能保溫材料帶來的經(jīng)濟壓力，某些性能極為優(yōu)異但是價格高昂的新型高分子節(jié)能保溫材料并不一定適合農(nóng)村地區(qū)的實際需求。

2.2 農(nóng)村建筑節(jié)能保溫材料具體應用

2.2.1 外墻結(jié)構(gòu)

農(nóng)村建筑外墻結(jié)構(gòu)中對高分子節(jié)能保溫材料的應用主要體現(xiàn)在外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫及復合墻體保溫三種形式。

首先，外墻外保溫，即通過在農(nóng)村建筑外墻的外部安裝高分子復合材料保溫層的形式來達到隔熱、拒水、阻燃等目的，從而在降低建筑物能耗的同時延長建筑物的使用壽命、增強建筑物的美觀程度等。目前適合農(nóng)村地區(qū)使用的外墻外保溫材料大多數(shù)屬于傳統(tǒng)高分子節(jié)能保溫材料，尤其第二代聚苯乙烯保溫材料的應用前景最好[11]。這是因為聚苯乙烯保溫材料的價格適中，隔熱、拒水、阻燃等性能也較為理想。盡管該材料在儲能等方面不具備明顯優(yōu)勢，但由于農(nóng)村建筑外墻面積較大，若使用環(huán)境敏感型聚合物材料帶來的成本過高，一般農(nóng)村居民難以承受。

其次，外墻內(nèi)保溫，即在農(nóng)村建筑物外墻的內(nèi)部安裝保溫的高分子復合材料層，使墻體本身的隔熱性能得到提升。外墻內(nèi)保溫施工需要格外注意冷凝問題給建筑帶來的影響。因此，可以酌情考慮使用一定比例的相變材料作為外墻內(nèi)保溫材料。相變材料的存在能夠很好地平衡建筑內(nèi)外部溫差，不至使農(nóng)村建筑在較大的室內(nèi)外溫差環(huán)境下形成大量的冷凝水。

最后，復合墻體保溫，即將高分子復合材料與混凝土、砌塊等材料進行復合加工而成的外墻結(jié)構(gòu)。這種復合材料墻體本身以特殊工藝加工而成，各種材料的混合工藝與一般的混凝土墻體或高分子復合材料墻體相比更為復雜。通常的施工方法都是采用橡膠粉狀聚苯乙烯顆粒作為保溫漿體與鋼筋混凝土、砌塊進行混合，在墻體內(nèi)部形成一種無空腔的保溫層，達到節(jié)能、隔熱、拒水等目的。

2.2.2 屋頂結(jié)構(gòu)

農(nóng)村建筑屋頂結(jié)構(gòu)基本可以分為坡狀結(jié)構(gòu)和平頂結(jié)構(gòu)兩大類。其中，坡狀屋頂?shù)膶阅芟啾扔谄轿蓓敻鼮榱己茫虼似聽钗蓓斣谑褂酶叻肿庸?jié)能降耗材料時可以選擇某些拒水性能一般但是其他性能突出的材料，如酚醛樹脂保溫材料等[12]。可以將這些高分子復合材料加工成隔熱層基材或薄膜置于屋頂防水材料下，使農(nóng)村建筑屋頂具有更好的隔熱效果。此外，由于坡狀屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特性，還可以在屋頂鋪設聚合物太陽能電池保溫材料等，實現(xiàn)屋頂結(jié)構(gòu)的節(jié)能、降耗和保溫功能。

2.2.3 門窗結(jié)構(gòu)

高分子復合材料門窗是一種通過拉擠成型工藝制備而成的門窗。由于樹脂材料本身的導熱系數(shù)較金屬材料更低（約為鋼材的1/350，鋁合金的1/l000）[13-14]，因此，這種復合材料門窗結(jié)構(gòu)的保溫效果明顯好于傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)門窗。此外，與傳統(tǒng)的金屬門窗相比，這種以高分子樹脂材料為基礎材料制成的門窗結(jié)構(gòu)在機械性能、耐老化性能等方面均具有明顯優(yōu)勢。

3 結(jié)語

農(nóng)村綠色建筑設計與施工，是鄉(xiāng)村振興背景下新農(nóng)村建設的重要環(huán)節(jié)。本文以高分子復合材料為例，對節(jié)能保溫材料的性能優(yōu)勢及農(nóng)村建筑中的應用場景進行總結(jié)，認為不同的高分子節(jié)能保溫材料性能差異、價格差異均較大，在農(nóng)村地區(qū)并不一定必須追求材料的新穎程度，經(jīng)濟性、實用性較為平衡的節(jié)能保溫材料最能滿足農(nóng)村地區(qū)建筑設計實際需求，在實際的使用過程中應盡量以這類材料為主開展農(nóng)村建筑設計與施工。