嚴(yán)寒地區(qū)真空絕熱板應(yīng)用防熱橋及缺陷措施研究

張一恒， 夏赟， 田野， 姜東序， 黃雷濤

（1.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.青島科瑞新型環(huán)保材料集團(tuán)有限公司，山東 青島 266109）

0 引言

隨著我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)確立，國(guó)內(nèi)對(duì)建筑節(jié)能的要求逐年提高，減少建筑在使用和運(yùn)維階段的二氧化碳排放，使得被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)在國(guó)內(nèi)受到了前所未有的關(guān)注和重視，降低建筑能耗最有效的途徑就是建筑高性能保溫，因此建筑對(duì)墻體保溫隔熱材料的性能要求也越來(lái)越高。真空絕熱板（vacuum insulation panel）是以粉狀和纖維狀無(wú)機(jī)材料與吸氣劑等作為芯材，用復(fù)合阻氣膜作包裹材料，經(jīng)抽真空、封裝等工藝制成的建筑保溫用板狀材料［1］，而STP是建筑用真空絕熱板（VIPB）的其中一種，作為一種新型高效綠色的保溫材料，它已有50多年的發(fā)展歷史，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，基于板內(nèi)的真空部位在很大程度上有效地降低了熱傳導(dǎo)，從中形成了一層保溫屏障，然而由于真空絕熱板的構(gòu)造和施工方法，會(huì)存在熱橋隱患，首先看真空絕熱板的自身構(gòu)造，其外部阻氣結(jié)構(gòu)與內(nèi)部芯材的導(dǎo)熱系數(shù)差距很大，STP板阻氣模厚度約為0.22mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.68W/（m·K），板的邊緣會(huì)有熱橋效應(yīng)［2］，其次真空絕熱板在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各邊緣存在不同尺寸偏差，因此相鄰的真空絕熱板在粘貼過(guò)程中將形成橫豎向板縫而不能緊密貼合，導(dǎo)致部分熱量將通過(guò)板縫處損失，形成熱橋效應(yīng)。在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，可以采用預(yù)模擬計(jì)算來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整真空絕熱板的尺寸規(guī)格、在板縫處填充具有良好隔熱性能的柔性保溫材料或采用雙層錯(cuò)縫粘接的手段，從而達(dá)到減小熱橋效應(yīng)，定性定量地把控墻體保溫效果。文中分析并提出了墻體保溫預(yù)模擬方案和減小熱橋效應(yīng)的措施，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工提出了可行的方案和建議。

1 試驗(yàn)方案及實(shí)施

文中通過(guò)模擬和試驗(yàn)研究了粘貼方式的外墻外保溫薄抹灰系統(tǒng)，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外保溫系統(tǒng)。

1.1 試驗(yàn)方案

1.1.1 粘貼方式的外墻外保溫薄抹灰系統(tǒng)

在大慶市讓胡路區(qū)建立了三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房，3種墻體構(gòu)造分別為A室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結(jié)砂漿+370mm燒結(jié)多孔磚+20mm保溫砂漿；B室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+雙層25mmSTP板錯(cuò)縫粘貼（STP板與STP板間為5mm粘結(jié)砂漿）+5mm粘結(jié)砂漿+370mm燒結(jié)多孔磚+20mm保溫砂漿；C室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結(jié)砂漿+240mm輕集料混凝土小型空心砌塊+20mm保溫砂漿。選用2022年1月14日下午3時(shí)三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房北向墻體的紅外熱成像儀檢測(cè)的墻體表面溫度數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)時(shí)室外環(huán)境溫度實(shí)測(cè)為-24.3℃，A室內(nèi)溫度為14.3℃，B室內(nèi)溫度為13.5℃，C室內(nèi)溫度為13.8℃，利用《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［3］中提供的二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp進(jìn)行模擬分析，模擬了3種外墻外保溫系統(tǒng)下墻體節(jié)點(diǎn)處的熱橋狀態(tài)和不同墻體材料層之間的溫度，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)墻體外壁的溫度場(chǎng)狀態(tài)及熱流強(qiáng)度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過(guò)比較兩種不同的有限元計(jì)算軟件，分析了墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)和熱橋的位置狀態(tài)，模擬結(jié)果與實(shí)際紅外檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證處理方案的效果以及兩種模擬軟件的適用性。

1.1.2 粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外保溫系統(tǒng)

雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈采用粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外墻外保溫系統(tǒng)，建筑建成時(shí)間為2019年，外墻采用的是輕集料混凝土小型空心砌塊+STP保溫裝飾板的外墻外保溫系統(tǒng)，固定方式為粘錨法，其內(nèi)部板縫采用聚氨酯發(fā)泡填充，裝飾板縫用硅酮密封膠密封。

1.2 方案實(shí)施

根據(jù)《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，STP板應(yīng)按設(shè)計(jì)進(jìn)行排版，豎向應(yīng)逐行錯(cuò)縫，最小錯(cuò)縫寬度不應(yīng)小于100mm，板縫不宜大于8mm，試驗(yàn)按照8mm板縫來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和模擬，單層粘貼STP板板縫處施工中為保溫砂漿抹壓填充，雙層粘貼STP板中板與板之間內(nèi)部板縫為粘結(jié)砂漿抹壓填充，外層板縫為保溫砂漿填充，表1為材料的應(yīng)用計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 應(yīng)用計(jì)算參數(shù)

1.3 聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房的設(shè)計(jì)實(shí)施方案

三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房的南北向墻體均粘貼STP板，工程于2021年9月24日開始，工期為期6d，實(shí)際施工南向見圖1，北向見圖2。

圖1 南向施工

圖2 北向施工

2 模擬與實(shí)測(cè)

2.1 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp模擬

DB23/T 2473-2019《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用提出以下要求：

（1） 確保熱橋部位的內(nèi)表面溫度高于室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫濕度條件下的露點(diǎn)溫度不小于2℃，露點(diǎn)溫度按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

（2） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，STP板與基墻之間的界面溫度不低于0℃，界面溫度越高，飽和蒸氣壓越大，界面冷凝的可能性就越小。

表2為3種外墻外保溫系統(tǒng)下，運(yùn)用PTemp軟件所得到的模擬圖和不同界面的溫度值，主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算公式：

表2 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp模擬數(shù)據(jù)

式中，K為主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；R0為墻體主斷面的傳熱阻，（m2·K）/W；Ri為內(nèi)表面換熱阻，（m2·K）/W；d為墻體各部分厚度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Re為外表面換熱熱阻，（m2·K）/W。設(shè)定好邊界條件和材質(zhì)屬性之后，經(jīng)過(guò)模擬得到表2。

2.2 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp模擬分析

利用PTemp軟件模擬溫度場(chǎng)云圖，參考設(shè)定的溫度標(biāo)尺，可粗略的估算系統(tǒng)內(nèi)的界面溫度，精確到0.5℃。

（1） 三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房的露點(diǎn)溫度計(jì)算參數(shù)取相對(duì)濕度值為60%，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到A、B和C室的室內(nèi)空氣在設(shè)計(jì)溫、濕度條件下的露點(diǎn)溫度分別為6.6、5.9℃和6.2℃，由表3所示可知，上述3種不同條件下，均符合熱橋部位的內(nèi)表面溫度高于設(shè)計(jì)露點(diǎn)溫度2℃以上的規(guī)定。

（2） 同種基墻的情況下，雙層錯(cuò)縫粘貼STP板的內(nèi)層界面溫度明顯優(yōu)于單層粘貼STP板。

（3） 3種外墻外保溫系統(tǒng)模擬得到的內(nèi)側(cè)板縫處與基墻間的界面溫度均大于0℃，界面溫度越高，飽和蒸汽壓越大，越不容易發(fā)生冷凝，3種外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)各界面溫度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的飽和水蒸氣分壓見表3。

表3 各界面溫度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的飽和水蒸氣分壓

2.3 利用ANSYS對(duì)比PTemp模擬結(jié)果

參考數(shù)據(jù)和邊界條件同PTemp一樣，墻體網(wǎng)格模型見圖3，溫度場(chǎng)云圖見圖4，熱流矢量見圖5，考慮對(duì)流換熱和熱輻射下的ANSYS計(jì)算后的溫度場(chǎng)云圖見圖6。

圖3 墻體網(wǎng)格模型

圖4 溫度場(chǎng)云圖

圖5 熱流矢量1

圖6 熱流矢量2

2.4 ANSYS軟件模擬分析

通過(guò)ANSYS軟件模擬分析值得出數(shù)據(jù)匯總見表4。

表4 ANSYS軟件模擬分析數(shù)據(jù)

2.5 ANSYS軟件模擬分析

通過(guò)ANSYS軟件的熱穩(wěn)定性算法模塊Steady State Thermal，按照文中所設(shè)定的邊界條件及各種材料的計(jì)算參數(shù)，建立有限元模型并計(jì)算得到3種不同外墻外保溫系統(tǒng)的溫度場(chǎng)云圖和熱流矢量圖，熱流矢量越靠近板縫處分量越明顯，溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)和傾向一致。熱流也稱為熱通量，根據(jù)傅里葉定律熱流是具有方向性的矢量單位，熱流矢量與溫度梯度成正比［4］，方向相反，包含x、y和z共3個(gè)方向，熱傳導(dǎo)方式不同，分為傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流，墻體外表面溫度的模擬計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮墻體外表面與空氣流體間的對(duì)流換熱和熱輻射影響，墻體外表面的輻射率取0.95，對(duì)流換熱系數(shù)取23.0W/（m2·K），建立北向墻體周圍的空氣域，空氣域的導(dǎo)熱系數(shù)取0.026W/（m·K），得到了3種外墻外保溫系統(tǒng)下北向墻體的外表面溫度值。對(duì)比3種不同外保溫系統(tǒng)的主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和外表面總熱流量以及外保溫系統(tǒng)的內(nèi)部界面溫度，文中引用Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量數(shù)據(jù)組間的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0為極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)，將二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp模擬數(shù)據(jù)見表2、ANSYS軟件計(jì)算數(shù)據(jù)見表4建立兩套數(shù)據(jù)組，Pearson相關(guān)系數(shù)為A室為0.76，B室為0.71，C室為0.75，說(shuō)明ANSYS模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果和二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp的數(shù)據(jù)規(guī)律與結(jié)果是存在強(qiáng)線性相關(guān)的。

ANSYS相較于PTemp軟件在外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)部的界面溫度數(shù)值分析和熱流量計(jì)算上更精確。

2.6 聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房的紅外熱成像檢測(cè)

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷檢測(cè)包括外表面熱工缺陷檢測(cè)和內(nèi)表面熱工缺陷檢測(cè)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷宜采用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)，將與受檢表面主體區(qū)域（不包括缺陷區(qū)域）平均溫度的溫度差值≥1℃的點(diǎn)所組成的區(qū)域定義為熱工缺陷區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)要求受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值小于20%，且單塊缺陷面積應(yīng)小于0.5m2，受檢內(nèi)表面單塊缺陷面積小于 0.5m2［5］。2022 年 1 月 14 日下午 3 時(shí)，利用 Flir T335紅外熱成像儀對(duì)三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房的北向墻體進(jìn)行了實(shí)地?zé)峁と毕輽z測(cè)，當(dāng)時(shí)室外環(huán)境溫度實(shí)測(cè)值-24.3℃，相對(duì)濕度55%，拍攝距離2m，輻射率0.95，檢測(cè)期間與開始檢測(cè)時(shí)的空氣溫度相比，室外空氣溫度逐時(shí)值變化最大值為2℃，室內(nèi)空氣溫度逐時(shí)值變化最大為1℃，由于受檢的外表面為墻體北墻，故沒(méi)有太陽(yáng)直接照射，受檢內(nèi)表面無(wú)燈光照射，從圖像中可以看出STP板拼接縫處的位置溫度較高，流出的熱量較大，溫度的分布沿著板間十字縫向各個(gè)邊緣兩端擴(kuò)散呈現(xiàn)較為明顯的分布，也說(shuō)明了部分熱量的流出是沿著STP。

板面的阻氣材料及縫隙傳輸出去的。從紅外熱像照片中，選出一塊具有代表性的區(qū)域Ar1，在Ar1內(nèi)部的STP板面和與其周圍溫度差值＜1℃的區(qū)域的集合定義為受檢表面主體區(qū)域，將與受檢表面主體區(qū)域平均溫度差值≥1℃的區(qū)域定義為熱工缺陷區(qū)域。由于三間試驗(yàn)房的南墻全天受到太陽(yáng)直接照射，吸收了足夠熱輻射熱量，故在南側(cè)外墻表面用紅外熱成像儀測(cè)不出明顯的溫度梯度和熱工缺陷，不予參考；紅外熱像儀照片中，北向墻體內(nèi)表面的亮點(diǎn)為溫濕度記錄儀，不予參考。三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房北向內(nèi)墻紅外熱成像見圖7，北向外墻紅外熱像圖見圖8。

圖7 北向內(nèi)墻紅外熱成像

圖8 北向外墻紅外熱成像

2.7 模擬與實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析

紅外熱成像儀測(cè)得的三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房北向內(nèi)、外墻體的熱工缺陷匯總見表5。

表5 北向墻體熱工缺陷溫度匯總

通過(guò)對(duì)紅外熱成像儀數(shù)據(jù)的分析，B室的保溫效果要明顯優(yōu)于其他兩種墻體。三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)房北向內(nèi)表面均無(wú)熱工缺陷，B室北向內(nèi)外表面無(wú)熱工缺陷，A室受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值為13.8%，C室受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值為9.2%，A、C室外表面單塊缺陷區(qū)域面積均小于0.5m2，A室受檢外表面缺陷區(qū)域包括橫向板縫和豎向板縫，豎向短板縫平均溫度與受檢外表面主體區(qū)域（不含缺陷）的平均溫度差值在1～1.2℃，而橫向長(zhǎng)板縫平均溫度與受檢外表面主體區(qū)域（不含缺陷）的平均溫度差值在1.4～1.6℃，橫向板縫中包含了十字縫和橫豎向交叉縫，這些部位會(huì)產(chǎn)生較大的熱橋效應(yīng)。

2021年年初對(duì)雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈北向墻體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱工缺陷檢測(cè)，選取兩處代表性的檢測(cè)結(jié)果見表6。

表6 雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果匯總

通過(guò)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果可以看出，雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈北向內(nèi)外墻體除了固定用錨栓處有明顯的熱工缺陷外，橫豎向板縫及板縫交叉處均沒(méi)有熱工缺陷。建議裝飾保溫一體化板固定安裝用錨栓宜設(shè)計(jì)成斷熱橋的構(gòu)造，降低能耗。

3 結(jié)語(yǔ)

真空絕熱板在設(shè)計(jì)過(guò)程中表面阻氣膜結(jié)構(gòu)存在熱橋通道，且在拼接施工過(guò)程中板縫造成的熱橋效應(yīng)會(huì)對(duì)保溫層與基墻界面和墻體室內(nèi)的內(nèi)表面溫度產(chǎn)生影響，經(jīng)過(guò)分析驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

（1） 在嚴(yán)寒地區(qū)使用真空絕熱板作為外墻外保溫，采用較薄厚度的STP板雙層錯(cuò)縫粘貼可以有效的防止界面冷凝，保溫效果顯著，內(nèi)側(cè)界面板縫壓入粘結(jié)砂漿需特殊處理，建議可以選擇預(yù)留20mm板縫加以填塞柔性保溫材料。

（2） 對(duì)于單層粘貼STP板8mm板縫的情況，建議在橫、縱向拼接處、墻體邊緣處的板縫用模塑材料擠壓填充，以防止外墻外表面產(chǎn)生熱工缺陷。

（3） 采用真空絕熱板做保溫層的裝飾保溫一體化板，安裝時(shí)板縫采用高效保溫材料（聚氨酯發(fā)泡）填充，外面用硅酮密封膠封堵，不會(huì)產(chǎn)生熱橋；固定錨栓宜采取斷熱橋措施，降低外墻外表面產(chǎn)生熱橋的概率。

（4） 可采用ANSYS和二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算軟件PTemp結(jié)合模擬外墻外保溫系統(tǒng)的溫度場(chǎng)云圖及熱流矢量圖，當(dāng)外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)部界面溫度臨近0℃，或需要了解某些界面的準(zhǔn)確溫度時(shí)，宜采用ANSYS模擬，確保計(jì)算更加精確，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)保溫薄弱節(jié)點(diǎn)和熱工缺陷點(diǎn)，采取相應(yīng)的措施加以強(qiáng)化設(shè)計(jì)，達(dá)到理想的節(jié)能保溫效果。