超低能耗建筑的真空絕熱板復合高性能有機保溫板系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計研究

王偉龍，陳興濤，左長安，3，馬振偉

（1.中國中建設(shè)計研究院有限公司，北京 100044；2.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南 250101；3.山東大學土建與水利學院，山東濟南 250100）

0 引 言

隨著“雙碳”目標的提出，使得建筑領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型迫在眉睫。在建筑領(lǐng)域，建筑墻體的保溫節(jié)能工程是極其重要的一部分，對積極推進我國城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。在未來一段時期內(nèi)，城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)嫣嵘ㄖ苄剑M一步提高建筑節(jié)能設(shè)計標準，使建筑向著被動式超低能耗建筑等方向發(fā)展。被動式超低能耗建筑對外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的要求為≤0.15 W/（m2·K）[1]，遠高于我國普通建筑的節(jié)能要求，而建筑外圍護結(jié)構(gòu)中的外墻部位是被動式超低能耗建筑中傳熱損失最高的部位，需要對建筑外墻采取一系列隔熱保溫措施，有效降低墻體能耗。但是，在提升外墻保溫性能的同時也帶來了如防火安全、墻體過厚等一系列問題。因此，在傳統(tǒng)外墻保溫系統(tǒng)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了適用于被動式超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)的新型構(gòu)造方式。

1 發(fā)展背景

隨著節(jié)能設(shè)計標準的提高以及被動式超低能耗建筑的推廣應用，使得建筑外墻的節(jié)能保溫構(gòu)造形式面臨新的挑戰(zhàn)。首先，當外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)達到被動式超低能耗建筑的技術(shù)要求時，傳統(tǒng)有機保溫材料厚度幾乎要增加1 倍，保溫材料厚度的增加使得建筑外墻外保溫系統(tǒng)中單位面積內(nèi)的可燃物比例和可燃物總量成倍增加，增大了火災時的危險指數(shù)，進一步加劇了建筑外墻保溫與防火安全之間的矛盾。其次，保溫材料厚度的增加使得建筑外墻外保溫系統(tǒng)抵抗自身荷載的能力減弱，且系統(tǒng)中所用錨固件的錨栓長度相應的增加，抗拉承載力、抗沖擊性能、抗剪能力等方面性能都會大幅度降低，導致外墻保溫系統(tǒng)存在很大的安全隱患[2]。再者，通過對被動式超低能耗建筑不同系統(tǒng)中保溫板厚度的對比分析可知（見表1），只有采用導熱系數(shù)低的外圍護結(jié)構(gòu)保溫材料，才能在滿足被動式超低能耗建筑高節(jié)能率要求的同時，最大限度地降低建筑保溫層的厚度[3]。此外，過厚的保溫材料，不僅會影響整個保溫系統(tǒng)外墻的安全，而且會隨著GB 55031—2022《民用建筑通用規(guī)范》的實施而增加公攤面積，影響得房率[4]。

表1 被動式超低能耗建筑不同系統(tǒng)中保溫板厚度對比

超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)在過去大多采用薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，隨著外墻保溫系統(tǒng)的安全耐久、防火、防水等問題的提出，內(nèi)置保溫現(xiàn)澆混凝土復合墻體系統(tǒng)等外墻保溫構(gòu)造也陸續(xù)在超低能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)中得到應用[5]。本文以薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和內(nèi)置保溫現(xiàn)澆混凝土復合墻體系統(tǒng)中不同保溫板在被動式超低能耗建筑中的應用厚度進行分析研究，以此為新的構(gòu)造系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

從表1 可以看出，目前能夠較好解決保溫層厚度問題，同時還能滿足被動式超低能耗建筑對圍護結(jié)構(gòu)外墻保溫系統(tǒng)嚴苛要求的保溫材料，應首選STP 真空絕熱板（以下簡稱STP板）。STP 板是一種A 級不燃材料，具有導熱系數(shù)小、保溫性好、厚度薄等優(yōu)異性能。

由于STP 板是一種通過抽真空形成具有氣密性的超薄保溫板，要保證其內(nèi)部真空度不被破壞，STP 板不可進行切割、鉆孔，只能進行板邊錨固，所以，STP 板僅能應用于薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)中。板邊錨固使得STP 板板縫間存在較大的熱橋問題，造成STP 板在單獨作為保溫層使用時存在一定的局限性。此外，STP 板的價格也遠高于傳統(tǒng)的高性能有機保溫板。

因此，在單層STP 板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合內(nèi)置保溫現(xiàn)澆混凝土復合墻體系統(tǒng)的構(gòu)造原理，按照相關(guān)建筑外墻保溫防火理論的要求，設(shè)計出了STP 板+高性能有機保溫板雙層粘結(jié)構(gòu)造的方式，來實現(xiàn)被動式超低能耗建筑在保溫節(jié)能、防火安全、經(jīng)濟適用等方面的要求。

2 系統(tǒng)構(gòu)造

STP 板+高性能有機保溫板雙層粘結(jié)構(gòu)造防火保溫系統(tǒng)（以下簡稱STP 板雙層保溫系統(tǒng)）由飾面層（20 mm 厚混合砂漿）、基層墻體（200 mm 厚混凝土墻體）、內(nèi)側(cè)粘結(jié)層（10 mm厚粘結(jié)砂漿）、B 級保溫層（高性能有機保溫板）、中間粘結(jié)層（5 mm 厚粘結(jié)砂漿）、A 級保溫層（30 mm 厚STP 板）、防護層（10 mm 厚保溫漿料）、抹面層（5 mm 厚抹面膠漿復合玻纖網(wǎng)）、飾面層（涂料、飾面砂漿或柔性面磚等）、防火構(gòu)造（防火分倉單元）、錨固件（斷熱橋錨栓）等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 STP 板雙層保溫系統(tǒng)基本構(gòu)造

由圖1 可見，靠近基層墻體的B 級保溫層為STP 板提供了具有緩沖作用的柔性構(gòu)造層，STP 板外側(cè)的防護層、抹面層及飾面層共同構(gòu)成STP 板的保護層。該系統(tǒng)中B 級保溫層外側(cè)的構(gòu)造層次共同構(gòu)成50 mm 不燃性結(jié)構(gòu)防護層，滿足GB 55037—2022《建筑防火通用規(guī)范》中6.6.2 條對B1 級或B2級保溫材料兩側(cè)不燃性結(jié)構(gòu)厚度均不應小于50 mm 的規(guī)定。相較于傳統(tǒng)的薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，STP 板雙層保溫系統(tǒng)的構(gòu)造形式不需要每層設(shè)置高度不低于300 mm 的A 級防火隔離帶和耐火完整性不小于0.50 h 的門窗[6]。

STP 板雙層保溫系統(tǒng)中不同保溫板厚度對比見表2。

表2 STP 板雙層保溫系統(tǒng)中不同保溫板厚度對比

從表1、表2 中保溫板的厚度對比可知，相較于傳統(tǒng)的外墻保溫構(gòu)造形式，STP 板雙層保溫系統(tǒng)的構(gòu)造形式可大幅度降低外墻保溫構(gòu)造系統(tǒng)中保溫板的厚度，進而提高墻體的安全性能，減少公攤面積。所以，STP 板雙層保溫系統(tǒng)的構(gòu)造形式是對傳統(tǒng)外墻保溫構(gòu)造形式的一種創(chuàng)新，不僅能夠滿足GB 55037—2022 中對保溫材料的防火要求，還能夠充分發(fā)揮各種材料的性能特征。

3 技術(shù)措施

為了實現(xiàn)STP 板雙層保溫系統(tǒng)在被動式超低能耗建筑應用中的最優(yōu)性能。根據(jù)被動式超低能耗建筑所處地理位置、氣候區(qū)和外圍護結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合不同性能的外圍護結(jié)構(gòu)保溫材料，從提高系統(tǒng)的防火性能和減少系統(tǒng)的熱橋損失2 方面來保障系統(tǒng)的效能最大化。

3.1 提高系統(tǒng)的防火性能

由于被動式超低能耗建筑中高性能有機保溫板的厚度較厚，為了進一步提高系統(tǒng)的防火安全系數(shù)，系統(tǒng)以薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)中每層設(shè)置水平防火隔離帶為理論基礎(chǔ)，從控制火災發(fā)生和阻斷火焰蔓延2 方面對B 級保溫層進行了防火構(gòu)造設(shè)計。通過在B 級保溫層中增設(shè)由橫向防火隔離條（A級不燃材料）與豎向防火隔離條（A 級不燃材料）正交交叉形成的網(wǎng)格狀防火分隔單元，B 級保溫層內(nèi)不連貫、獨立的防火分隔單元與外側(cè)A 級保溫層、防護層、抹面層、飾面層一同形成B 級保溫層的無空腔防火分倉單元，對內(nèi)側(cè)B 級保溫層進行了有效的分隔，如圖2 所示。

圖2 保溫防火系統(tǒng)中獨立防火分倉單元構(gòu)造

構(gòu)成防火分倉單元的不燃材料在受到外部火焰的強熱輻射下，其內(nèi)部材料吸熱并發(fā)生熱熔收縮，形成由無機膠凝材料支撐的閉合孔洞，對內(nèi)部B 級保溫材料起到隔熱作用，隔絕了B 級保溫材料與氧氣的接觸[1]，同時獨立防火分倉單元又能夠?qū)⒒饎菹薅ㄔ谔囟ǖ膮^(qū)域內(nèi)，進一步限制保溫板燃燒釋放的熱量，使整個外墻保溫體系具有良好的防火穩(wěn)定性，起到了防止火災發(fā)生和阻斷火焰沿外墻面蔓延的雙重效果，達到了提高外墻保溫系統(tǒng)防火性能的目的。

3.2 減少系統(tǒng)的熱橋損失

建筑的熱橋會造成外圍護結(jié)構(gòu)熱負荷或冷負荷，并使建筑外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面冷凝發(fā)霉現(xiàn)象的概率增加，被動式超低能耗建筑要求熱橋限值為線熱橋≤0.01 W（m·K），因此，被動式超低能耗建筑的無熱橋設(shè)計對于實現(xiàn)超低能耗甚至近零能耗具有重要意義[7]。

研究表明[8]，保溫層不連續(xù)導致的線熱橋經(jīng)過修正，損失可降低80%左右；穿墻管道等節(jié)點的點熱橋經(jīng)過修正，損失可降低92%左右。因此被動式超低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)須盡可能地保證保溫層連續(xù)不間斷；避免因保溫層被穿透而形成結(jié)構(gòu)性熱橋，增加能耗。

在STP 板雙層保溫系統(tǒng)中，為最大化減少STP 板板縫間熱橋的影響，STP 板與高性能有機保溫板采用雙層錯縫交叉粘貼的方式（見圖3），在保證防火效果的前提下避免2 層保溫材料間出現(xiàn)通縫，最大限度地減少系統(tǒng)熱橋。

圖3 STP 板保溫系統(tǒng)雙層錯縫粘結(jié)優(yōu)化設(shè)計

此外，降低熱橋損失不僅要通過采用雙層錯縫交叉粘貼的方式，還需要采用具有阻斷熱橋功能的構(gòu)造設(shè)計、構(gòu)造拉結(jié)及洞口封堵等加強措施，避免被動式超低能耗建筑出現(xiàn)系統(tǒng)性熱橋現(xiàn)象。在構(gòu)造設(shè)計方面，如建筑陽臺板與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時應斷開，可以有效降低外圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱橋情況，且陽臺板需利用保溫材料全部包裹提升保溫性能；在構(gòu)造拉結(jié)方面，如選取斷熱橋錨栓等連接配件，可有效避免被動式超低能耗建筑出現(xiàn)系統(tǒng)性熱橋；在洞口封堵方面，如管道穿過外圍護結(jié)構(gòu)時，需預設(shè)置套管，且管道周圍需選取合適保溫材料密實封閉。此外，被動式超低能耗建筑還必須通過精細化施工、精細化安裝才能達到降低熱橋損失的目的。

4 結(jié) 語

通過對傳統(tǒng)外墻保溫系統(tǒng)形式在超低能耗建筑中的分析研究，結(jié)合相關(guān)的建筑外墻保溫防火理論及規(guī)范，設(shè)計出的STP 板雙層保溫系統(tǒng)的構(gòu)造形式，是對傳統(tǒng)外墻保溫系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計的一次創(chuàng)新。系統(tǒng)達到了既能夠滿足被動式超低能耗建筑的節(jié)能要求，又能夠滿足系統(tǒng)在保溫防火方面的安全需求，還能夠充分發(fā)揮各種材料性能特征的目的。