采用气凝胶对空调系统保温的探索

采用气凝胶对空调系统保温的探索

施泰伦 彭辉 伍鑫 罗正权

贵州航天建设工程有限公司，贵州 遵义 563000

摘要:空调保温效果的好坏直接影响建筑节能效果，因传统保温材料存在易受潮、老化等导致保温易失效的弊端，致使能量在传输过程中被损耗，造成能源浪费，对此本文以几种气凝胶复合材料为例，探究气凝胶复合材料在空调保温工艺的应用中的可行性。

关键词:气凝胶；空调系统保温

引言

在建筑工程中，空调系统的保温良好与否对整个系统的正常运行起着十分重要的作用。保温效果的优良与否，直接影响到整个空调系统的效率，甚至可能影响到室内环境的舒适度。为了确保系统的正常运行和良好的能源效率，良好的空调系统保温是必不可少的。

然而，目前常用的保温材料存在一些问题和缺陷。离心玻璃棉的保温效果会随着时间的推移而逐渐下降，其防火等级也相对较低，存在一定的安全隐患。此外，生产过程中可能会产生污染环境的物质，容易造成扬尘，对施工人员的职业健康安全也会带来一定的损害。

因此寻找和研发更高效、更环保、更安全的保温材料来替换掉这些老旧的材料，已成为一种必然趋势。新的保温材料应该能够提供更好的保温效果，同时又不会对环境产生负面影响，也不会给施工人员的健康带来威胁。只有这样，才能更好地满足人们对高效、节能、环保的建筑环境的需求。

1气凝胶介绍

气凝胶是一种纳米材料，其结构为多孔网络骨架结构，内部孔洞率在80%以上，是目前已知的世界材料中最轻的固体材料，具有十分优异的隔热性能及防火性能。气凝胶按组成成分可分为有机气凝胶、无机气凝胶和碳气凝胶三大类。

气凝胶的产生源于美国斯坦福大学Kistler教授在1931年以硅酸钠为硅源，首次成功制备出了水凝胶，而后再采用超临界干燥方法制备出了具有优异性能的二氧化硅气凝胶。然而，受限于当时制备出的二氧化硅气凝胶的制造成本，导致气凝胶的生产过程相当昂贵，且其机械强度较差，仅能用于科学研究中，发展速度也相对较慢。

进入上世纪80年代末期，气凝胶开始逐步应用于航空航天、石油炼化开采、高尖端科技领域。作为一种具有极高开发潜力的材料，气凝胶所展现出的优异性能，如出色的防火、隔热性能等，开始逐渐受到各领域的关注。

进入本世纪以来，气凝胶的应用领域开始逐步扩展到建筑外保温等节能领域。由于其出色的隔热性能，气凝胶被广泛应用于各种保温材料中，极大地提高了建筑的节能、保温性能。

2气凝胶的物理性能

气凝胶是一种由气体和固体颗粒组成的具有多孔结构的材料，它的密度很低，由于其多孔的特性，它的机械强度往往比较差，因此需要采用一些方法来增强其机械强度。

其中一种方法是采用纤维混合的方式。通过将纤维与气凝胶混合在一起，可以有效地提高气凝胶的强度和韧性。而聚酰亚胺纤维是一种非常有效的增强纤维，它具有很高的强度和耐热性，因此被广泛应用于各种结构材料中。

当采用聚酰亚胺纤维增强二氧化硅气凝胶时，可以制备出一种具有优异性能的复合保温材料。这种材料具有很低的导热系数，可以有效地隔绝热量的传递。此外，它还具有良好的压缩性能和热稳定性，可以在高温高压下保持其结构完整性。

制备出的气凝胶复合材料，其密度为0.13g/cm3，比表面积提升至997m2/g，常温下导热系数为0.0291W/（m*K），抗压强度为0.21MPa，可以看出其常温下的导热系数远远低于传统材料的热传导系数，是传统材料的良好替代品。

在制备这种复合保温材料时，需要对气凝胶进行复合处理。这种处理通常包括将纤维与气凝胶混合在一起，然后在一定温度和压力下进行热压处理。通过这种处理方式，可以弥补气凝胶在机械强度上的不足，得到性能优异的气凝胶节能保温材料。

3气凝胶在空调系统保温中的应用

传统的空调系统保温材料多采用离心玻璃棉或橡塑保温棉，然而这些保温材料随着时间的推移，保温能力会急剧减弱，尤其在潮湿的环境中，它们容易受潮，导致保温效果急剧降低。在这样的情况下，保温材料非但不能有效减少能量流失，还会引致冷凝水的产生，给建筑物或设备造成潜在危害。

利用气凝胶制备的柔性保温毡，采用气凝胶与有机聚合物、纤维增强材料等复合技术，成功制备出了保温性能良好的气凝胶复合材料。这种材料不仅具有优异的保温性能，同时具有柔软、轻便、易于加工等优点，具有广泛的应用前景。

为了验证这种材料的保温性能，使用导热系数测定仪对其进行了测试。测试结果表明，微纳米纤维气凝胶复合材料的导热系数相较于传统的保温棉导热系数更低。这是由于聚偏氟乙烯（PVDF）纤维在材料之间互相搭接，形成了弯曲复杂的狭窄通道，从而有效地阻隔了热量的传递。

相比传统保温材料，这种气凝胶复合材料在保温性能和厚度方面都具有明显优势。在相同厚度的条件下，采用气凝胶复合材料的热损失率远远低于传统材料的热传导系数0.33W/m，仅为传统材料的88%以下。这意味着采用这种材料制造的保温棉能够更有效地隔绝热量，达到更好的保温效果。

此外，采用气凝胶复合材料制造的保温棉还可以降低保温层的厚度。这不仅可以减轻建筑物的重量，还能间接降低建筑物内空调系统管道、风管等所占用的吊顶空间，从而提高建筑物内装修后楼层净高。这种材料的应用将为建筑行业带来革命性的变化，使建筑更加节能、舒适、美观。

在极端的环境条件下，例如高温、潮湿或是极度寒冷的制冷设备中，气凝胶真空绝热板作为一种高效且实用的保温材料，展现出了其卓越的性能。这种真空绝热板的核心制作方式是采用纳米级绝热材料作为芯材，然后加入特殊的吸气剂，最后用高精度的膜材紧密包裹。

这种材料之所以拥有出色的保温隔热性能，源于其双重绝热机制。首先，通过使用纳米气相二氧化硅作为芯材，大幅度降低了固体热传导性。其次，吸气剂和干燥剂被添加到芯材中，以吸附并移除其中的水汽，进一步降低了热传导。同时，高性能的包裹膜材也在阻挡热辐射方面发挥了关键作用，从而实现了高效保温的效果。

除此之外，由于气凝胶的天然阻燃特性，这种材料也具备了阻燃效果，显著降低了建筑物的火灾风险。

与这些传统的保温材料相比，气凝胶真空绝热板的厚度优势极为明显。在相同的环境条件下，气凝胶真空绝热板的厚度仅为传统保温材料的六分之一到四分之一。这不仅大大节省了紧张的吊顶空间，而且更有效地提高了建筑的能效和保温效果。气凝胶真空绝热板与气凝胶柔性保温毡一样具有保温性能优秀占用空间小的特点。

总结

采用气凝胶作为新兴的空调系统保温材料，在技术层面上完全可以替代传统材料保温方式。气凝胶复合材料在保温性能、耐用性、轻便性等方面都优于传统保温材料，具有显著的优点。

然而，尽管气凝胶具有诸多优点，但目前对于各种建筑工程项目而言，气凝胶复合材料制造的空调系统保温材料却难以得到广泛应用。这是因为气凝胶的造价成本过高，导致使用方不愿意承担相应增加的工程造价。尽管它的性能优良，但是高昂的成本让许多项目望而却步，这限制了气凝胶在空调系统保温上的推广。

因此，对于气凝胶在空调系统保温上的应用，应当结合实际情况进行考虑。如在国家示范项目、超低温空调系统项目等对保温材料要求高，对空调或供暖系统能耗控制严格的项目中，气凝胶的应用则具有更大的可行性。在这些项目中，由于对保温材料的要求较高，以及对系统能耗控制的严格要求，使用方更愿意承担气凝胶带来的高成本，从而获得更好的保温效果和更低的能耗。

参考文献

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