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零碳科技：气凝胶打造零能耗被动房

　　被动式超低能耗建筑助力绿色转型，已经是未来建筑发展的一大主要趋势。但目前市场上的被动式超低能耗建筑外墙保温材料是以建筑节能 75% 标准设计，一是不能满足节能率达到 90% 以上的超低能耗建筑技术方面的要求，二是阻燃等级以 B 级为主，存在很大的安全隐患。

　　目前，建筑外墙常用的保温材料主要为有机聚合物多孔泡沫材料、无机纤维棉和泡沫无机保温材料。有机聚合物如挤塑板、石墨聚苯板等以其优异的保温效果、较轻的材料密度、方便的施工操作等特性占据了绝大多数市场占有率，但是易燃是其致命缺点。建筑外墙保温材料失火的案例频出，人员财产损失严重，各地也陆续出台了对外墙保温材料阻燃等级的应用限制。而无机保温材料如珍珠岩板等在燃烧性能方面优于有机保温材料，但是导热系数以及容重等性能则稍显逊色，不足以满足市场上对超低能耗建筑保温材料的要求。

　　SiO2 气凝胶作为一种多功能的高效保温隔热环保材料，以其独特的低热导率、耐高温，遇火不燃等特性已在航空航天、工业保温领域应用多年。近年来，国内的气凝胶制备技术已有了较大突破，可实现常温常压生产，解决了制备设备能耗高、超临界高压危险性大的难题，原材料成本大幅度降低，故气凝胶类保温材料在建筑保温隔热中的应用变多，更适合用于超低能耗建筑的外墙保温。

　　在气凝胶复合制品中，气凝胶隔热涂料产品也相对成熟，其保温效果也较别的类型的涂料相对明显。经过长达 3个月的自然环境下性能对比测试发现，气凝胶隔热涂料在夏天隔热，冬天保温效果上有明显优势。因其夏天隔热，冬天保温特性，应用场景更广泛，在夏热冬暖等热辐射较大的地区，建筑保温系统使用气凝胶隔热涂料，可有效阻止辐射热的入侵，同时降低室内冷空气的流失，由此减少建筑能耗，测试数据如图 4 所示。

　　气凝胶复合不燃保温板采用气凝胶、水泥基胶凝材料和可发性聚苯乙烯等原料，通过特殊工艺复合加工制作而成，防火等级可达到 A2 级。相较于传统保温材料和同种类型的产品，具有诸多优势：导热系数低，保温性能佳，单位能耗低；容重轻、吸水率低、强度高，常规使用的寿命长；实施工程简单方便，工期短，施工效率高；绿色环保，安全可靠；产品规格多样化，综合性能好价格低。因此，气凝胶复合不燃保温板具备替代传统保温材料的潜力，可有效解决吸水、掉粉、脱落、纤维过敏等问题。

　　气凝胶复合不燃保温板适用于保温装饰一体化及薄抹灰体系，大范围的应用于新建建筑、工业生产厂房、旧楼改造、活动房等场景，能够完全满足建筑行业对安全环保、高效率节约能源等方面的需求，其应用能够极大提高外墙外保温系统的节能性，助力建筑实现超低能耗。

　　例如，在上海书城改造中采用了气凝胶外墙内保温系统，隔热保温性能好，疏水性，防潮性能好，采用刮涂施工工艺。上海书城原有的建筑围护结构外墙为厚混凝土墙体，没有一点保温材料，改造后外墙内保温采用2厘米厚气凝胶无机保温膏，二楼底板挑檐部分设计涂抹2毫米气凝胶绝热涂料，气凝胶材料的碳排放因子仅为岩棉板1/2—1/3，满足最新国标要求的同时，尽可能降低保温层厚度。

　　瑞士苏黎世、日内瓦、卢加诺和巴塞尔等城市，每平方米的价格是欧洲最高的。因此，一平方米的建筑面积是现金——在苏黎世，平均价格约为 12,700 瑞士法郎（1瑞士法郎相当于8.107RMB）。因此，所有人都试图尽可能地最大限度地利用可用的建筑空间，无论是在新建筑中还是在翻新建筑中。

　　气凝胶等超绝缘材料可以在这里发挥及其重要的作用。为了达到相同的绝缘效果，这样一种材料需要的厚度只有传统绝缘技术所需厚度的一半甚至四分之一。另一方面，这种高性能在允许电压下不导电的材料的价格要高出许多。在Empa的研究中，团队思考了这样的一个问题：使用超级在允许电压下不导电的材料是否能够得到回报？换言之：增加占地面积的经济效益如何能够大于使占地面积增加的高价格在允许电压下不导电的材料的成本？

　　研究人员研究了欧洲，北美和亚洲的25个房价最昂贵的城市。在这三个地区，他们都发现了巨大的潜力：在初步分析中，只要每平方米的价格超过8,000瑞士法郎，用气凝胶代替矿棉建造是值得的。在欧洲，这适用于15个最昂贵的城市，包括上述四个瑞士城市。在北美，它是 14 个最昂贵的城市——从纽约到威基基。在亚洲，它适用于十大房价最昂贵的城市。

　　苏黎世Hohlstrasse的一个真实例子表明，使用超级在允许电压下不导电的材料是多么有利可图。这座位于市中心的住宅和商业混合建筑建于 2015 年至 2019 年之间，被认为是瑞士第一座几乎完全用气凝胶隔热的建筑。该建筑是周边街区开发的最后一部分。因此，建筑物的外部周边必须与现有建筑物相对应，并没回旋余地。“为了最大限度地利用内部可用空间，使用了厚度仅为 14 厘米的木质气凝胶立面，”在建筑规划设计和施工阶段担任科学顾问的 Wernery 说。“相比之下，采用传统在允许电压下不导电的材料的外墙厚度约为 20 厘米，”Empa 研究人员补充道。

　　超绝缘材料的使用因此创造了大约30平方米的额外可用空间。以每平方米12,700瑞郎的价格计算，这相当于381,000瑞郎的附加值。与传统隔热材料相比，从中扣除气凝胶的额外成本，最终将获得约247,000瑞士法郎的利润。

　　由于全面的翻新策略和紧凑的新建筑，高能耗标准得到了很好的满足。两座建筑均由一个通用的高效地下水热泵和一个大型屋顶集成光伏系统供电。因此，不仅在运行过程中消耗的能源很少，而且还会产生多余的能源，这些剩余能源被馈入电网。该建筑获得了Minergie-P-A® 认证。

　　【注：1998年，瑞士 26 个州政府联合成立Minergie协会。以德国被动房项目为蓝本，结合本地区气候特点，Minergie协会颁布瑞士首部近零能耗建筑标准——Minergie® 标准。经过一系列修改和完善，目前的Minergie标准体系大致上可以分为三类：inergie® 认证标准、Minergie®-P认证标准、Minergie®-ECO认证标准。Minergie® 标准不仅限定了建筑的总体能耗标准（不高于常规建筑平均值的75%），还明确要求化石燃料消耗必须低于 50%。Minergie®-P认证标准主要是针对与德国被动房对等的建筑，除了对建筑采暖能耗、气密性、节能电器方面做规定，还增加了成本和热舒适的规定。Minergie®-ECO认证标准是整个Minergie标准体系中最为严格的认证标准，该标准规定建筑要达到Minergie®-P的能效要求，同时还考虑了环境和健康因素的影响。】

　　近日，四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室王玉忠院士团队赵海波教授提出了一种基于生物质本征光致发光辐射制冷新策略，发展了具有高太阳光反射率、可循环利用的全生物质辐射冷却气凝胶。研究成果以“A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling”为题发表在Science上，论文的第一作者为四川大学化学学院2022级硕士研究生马健文，赵海波教授为论文的通讯作者。

　　由明胶和DNA制备的生物质气凝胶具有独特的荧光/磷光特性及高度有序的层状结构。这种本征光致发光效应使得气凝胶将吸收的紫外光转化为可见光，有效提升气凝胶材料在可见光区域的太阳光加权反射率(太阳光模拟下高达104.0%)，大幅增益气凝胶材料的日间辐射冷却效率，在高太阳辐照度的户外条件下，环境和温度降低达16.0 ℃。

　　另一方面，利用水介导气凝胶界面处强离子氢键的可逆解离-重构特性，通过可扩展、普适的水焊接策略实现了具有各向异性孔结构气凝胶板的大规模制备，长程有序的孔结构可确保气凝胶材料光学性质及综合性能的可靠性。此外，该全生物质气凝胶材料具备阻燃、可快速自修复、可循环利用和可生物降解等性能，在材料来源、制备、使用及废弃的全生命周期具有高环境友好性。该工作为未来可持续辐射冷却材料的设计制备提供新思路。

　　气凝胶材料凭借其卓越的保温性能，有效提升了建筑外围护结构的热阻，降低了建筑能耗损失，并增强了建筑的耐火性。在“十四五”规划期间，气凝胶材料作为绿色建筑推荐材料，有望在绿色建筑领域迎来更大的发展机遇。

　　然而，目前气凝胶制品在外墙保温方面的实际应用案例较少，仍处于市场推广阶段。为此，需要将试验检测结果和示范工程的应用经验进行充分总结，制定相关的施工工艺、监理监测标准，为所有的环节提供执行准则、质量保障和安全保险，推动气凝胶材料在外墙保温领域的进一步规范化和推广，以满足建筑领域绿色、低碳发展的需求。