超低能耗建筑的真空绝热板复合高性能有机保温板系统构造设计研究.pdf

新型建筑材料圆园23援100引言随着“双碳”目标的提出，使得建筑领域的低碳转型迫在眉睫。在建筑领域，建筑墙体的保温节能工程是极其重要的一部分，对积极推进我国城乡建设领域实现“双碳”目标具有重要意义。在未来一段时期内，城乡建设领域将会全面提升建筑能效水平，进一步提高建筑节能设计标准，使建筑向着被动式超低能耗建筑等方向发展。被动式超低能耗建筑对外围护结构传热系数的要求为臆0.15 W/（m2 K）1，远高于我国普通建筑的节能要求，而建筑外围护结构中的外墙部位是被动式超低能耗建筑中传热损失最高的部位，需要对建筑外墙采取一系列隔热保温措施，有效降低墙体能耗。但是，在提升外墙保温性能的同时也带来了如防火安全、墙体过厚等一系列问题。因此，在传统外墙保温系统构造的基础上，设计出了适用于被动式超低能耗建筑外墙保温系统的新型构造方式。1发展背景随着节能设计标准的提高以及被动式超低能耗建筑的推广应用，使得建筑外墙的节能保温构造形式面临新的挑战。首先，当外围护结构传热系数达到被动式超低能耗建筑的技术要求时，传统有机保温材料厚度几乎要增加 1 倍，保温材料厚度的增加使得建筑外墙外保温系统中单位面积内的可燃物比例和可燃物总量成倍增加，增大了火灾时的危险收稿日期：2023-04-10作者简介：王伟龙，男，1994 年生，硕士，E-mail：。通讯作者：左长安，博士，高级工程师，硕士生导师，E-mail：。超低能耗建筑的真空绝热板复合高性能有机保温板系统构造设计研究王伟龙1，陈兴涛2，左长安1，3，马振伟1（1.中国中建设计研究院有限公司，北京100044；2.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101；3.山东大学 土建与水利学院，山东 济南250100）摘要：通过对传统外墙保温系统在超低能耗建筑中的应用研究，设计出了一种适用于超低能耗建筑外墙的 STP 板+高性能有机保温板双层粘结构造防火保温系统，为了实现该保温系统在被动式超低能耗建筑应用中的最优性能，从提高防火性能和减少热桥损失 2 方面提出了系统在被动式超低能耗建筑中应用的具体技术措施。关键词：超低能耗建筑；外墙保温；构造防火；STP 板中图分类号：TU55+1文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）10-0132-03Research on the construction design of vacuum insulation board composite high performance organicinsulation board system for ultra low energy consumption buildingsWANG Weilong1，CHEN Xingtao2，ZUO Changan1，3，MA Zhenwei1（1.China Construction Engineering Design 驭 Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100044，China；2援School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3援School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250100，China）Abstract：Through the application of traditional external wall insulation system in ultra-low energy consumption buildings，de原signed a STP board+high performance organic insulation board double-layer bonded structural fire insulation system suitable forultra-low energy consumption building external wall.In order to achieve the optimal performance in passive ultra-low energy con原sumption building applications，some technical measures for the systems application in passive ultra-low energy buildings are pro原posed from the aspects of improving fire performance and reducing thermal bridge loss.Key words：ultra-low energy consumption buildings，external wall insulation，structural fire protection，STP board中国科技核心期刊132晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂指数，进一步加剧了建筑外墙保温与防火安全之间的矛盾。其次，保温材料厚度的增加使得建筑外墙外保温系统抵抗自身荷载的能力减弱，且系统中所用锚固件的锚栓长度相应的增加，抗拉承载力、抗冲击性能、抗剪能力等方面性能都会大幅度降低，导致外墙保温系统存在很大的安全隐患2。再者，通过对被动式超低能耗建筑不同系统中保温板厚度的对比分析可知（见表 1），只有采用导热系数低的外围护结构保温材料，才能在满足被动式超低能耗建筑高节能率要求的同时，最大限度地降低建筑保温层的厚度3。此外，过厚的保温材料，不仅会影响整个保温系统外墙的安全，而且会随着 GB550312022 民用建筑通用规范 的实施而增加公摊面积，影响得房率4。表 1被动式超低能耗建筑不同系统中保温板厚度对比注：传热系数小于 0.15 W/（m2 K）。超低能耗建筑外墙保温系统在过去大多采用薄抹灰外墙外保温系统，随着外墙保温系统的安全耐久、防火、防水等问题的提出，内置保温现浇混凝土复合墙体系统等外墙保温构造也陆续在超低能耗建筑外墙保温系统中得到应用5。本文以薄抹灰外墙外保温系统和内置保温现浇混凝土复合墙体系统中不同保温板在被动式超低能耗建筑中的应用厚度进行分析研究，以此为新的构造系统提供参考依据。从表 1 可以看出，目前能够较好解决保温层厚度问题，同时还能满足被动式超低能耗建筑对围护结构外墙保温系统严苛要求的保温材料，应首选 STP 真空绝热板（以下简称 STP板）。STP 板是一种 A 级不燃材料，具有导热系数小、保温性好、厚度薄等优异性能。由于 STP 板是一种通过抽真空形成具有气密性的超薄保温板，要保证其内部真空度不被破坏，STP 板不可进行切割、钻孔，只能进行板边锚固，所以，STP 板仅能应用于薄抹灰外墙外保温系统中。板边锚固使得 STP 板板缝间存在较大的热桥问题，造成 STP 板在单独作为保温层使用时存在一定的局限性。此外，STP板的价格也远高于传统的高性能有机保温板。因此，在单层 STP 板薄抹灰外墙外保温系统的基础上，结合内置保温现浇混凝土复合墙体系统的构造原理，按照相关建筑外墙保温防火理论的要求，设计出了 STP 板+高性能有机保温板双层粘结构造的方式，来实现被动式超低能耗建筑在保温节能、防火安全、经济适用等方面的要求。2系统构造STP 板+高性能有机保温板双层粘结构造防火保温系统（以下简称 STP 板双层保温系统）由饰面层（20 mm 厚混合砂浆）、基层墙体（200 mm 厚混凝土墙体）、内侧粘结层（10 mm厚粘结砂浆）、B 级保温层（高性能有机保温板）、中间粘结层（5 mm 厚粘结砂浆）、A 级保温层（30 mm 厚 STP 板）、防护层（10 mm 厚保温浆料）、抹面层（5 mm 厚抹面胶浆复合玻纤网）、饰面层（涂料、饰面砂浆或柔性面砖等）、防火构造（防火分仓单元）、锚固件（断热桥锚栓）等构成，如图 1 所示。图 1STP 板双层保温系统基本构造由图 1 可见，靠近基层墙体的 B 级保温层为 STP 板提供了具有缓冲作用的柔性构造层，STP 板外侧的防护层、抹面层及饰面层共同构成 STP 板的保护层。该系统中 B 级保温层外侧的构造层次共同构成 50 mm 不燃性结构防护层，满足 GB550372022 建筑防火通用规范 中 6.6.2 条对 B1 级或 B2级保温材料两侧不燃性结构厚度均不应小于 50 mm 的规定。相较于传统的薄抹灰外墙外保温系统，STP 板双层保温系统的构造形式不需要每层设置高度不低于 300 mm 的 A 级防火隔离带和耐火完整性不小于 0.50 h 的门窗6。STP 板双层保温系统中不同保温板厚度对比见表 2。表 2STP 板双层保温系统中不同保温板厚度对比注：传热系数小于 0.15 W/（m2 K）。从表 1、表 2 中保温板的厚度对比可知，相较于传统的外项目导热系数/W/（m K）薄抹灰外墙外保温系统内置保温现浇混凝土复合墙体系统修正系数琢保温板厚度/mm修正系数琢保温板厚度/mmSXPS 板0.0241.101681.15175XPS 板0.0301.102101.15219SEPS 板0.0331.052201.15241EPS 板0.0371.052471.15270STP 板0.0081.1056项目SXPS 板XPS 板SEPS 板EPS 板导热系数/W/（m K）0.0240.0300.0330.037修正系数 琢1.101.101.051.05保温板厚度/mm759499110王伟龙，等：超低能耗建筑的真空绝热板复合高性能有机保温板系统构造设计研究133新型建筑材料圆园23援10墙保温构造形式，STP 板双层保温系统的构造形式可大幅度降低外墙保温构造系统中保温板的厚度，进而提高墙体的安全性能，减少公摊面积。所以，STP 板双层保温系统的构造形式是对传统外墙保温构造形式的一种创新，不仅能够满足GB 550372022 中对保温材料的防火要求，还能够充分发挥各种材料的性能特征。3技术措施为了实现 STP 板双层保温系统在被动式超低能耗建筑应用中的最优性能。根据被动式超低能耗建筑所处地理位置、气候区和外围护结构形式，结合不同性能的外围护结构保温材料，从提高系统的防火性能和减少系统的热桥损失 2 方面来保障系统的效能最大化。3.1提高系统的防火性能由于被动式超低能耗建筑中高性能有机保温板的厚度较厚，为了进一步提高系统的防火安全系数，系统以薄抹灰外墙外保温系统中每层设置水平防火隔离带为理论基础，从控制火灾发生和阻断火焰蔓延 2 方面对 B 级保温层进行了防火构造设计。通过在 B 级保温层中增设由横向防火隔离条（A级不燃材料）与竖向防火隔离条（A 级不燃材料）正交交叉形成的网格状防火分隔单元，B 级保温层内不连贯、独立的防火分隔单元与外侧 A 级保温层、防护层、抹面层、饰面层一同形成 B 级保温层的无空腔防火分仓单元，对内侧 B 级保温层进行了有效的分隔，如图 2 所示。构成防火分仓单元的不燃材料在受到外部火焰的强热辐射下，其内部材料吸热并发生热熔收缩，形成由无机胶凝材料支撑的闭合孔洞，对内部 B 级保温材料起到隔热作用，隔绝了 B 级保温材料与氧气的接触1，同时独立防火分仓单元又能够将火势限定在特定的区域内，进一步限制保温板燃烧释放的热量，使整个外墙保温体系具有良好的防火稳定性，起到了防止火灾发生和阻断火焰沿外墙面蔓延的双重效果，达到了提高外墙保温系统防火性能的目的。3.2减少系统的热桥损失建筑的热桥会造成外围护结构热负荷或冷负荷，并使建筑外围护结构内表面冷凝发霉现象的概率增加，被动式超低能耗建筑要求热桥限值为线热桥臆0.01 W（m K），因此，被动式超低能耗建筑的无热桥设计对于实现超低能耗甚至近零能耗具有重要意义7。研究表明8，保温层不连续导致的线热桥经过修正，损失可降低 80%左右；穿墙管道等节点的点热桥经过修正，损失可降低 92%左右。因此被动式超低能耗建筑外围护结构须尽可能地保证保温层连续不间断；避免因保温层被穿透而形成结构性热桥，增加能耗。在 STP 板双层保温系统中，为最大化减少 STP 板板缝间热桥的影响，STP 板与高性能有机保温板采用双层错缝交叉粘贴的方式（见图 3），在保证防火效果的前提下避免 2 层保温材料间出现通缝，最大限度地减少系统热桥。图 3STP 板保温系统双层错缝粘结优化设计此外，降低热桥损失不仅要通过采用双层错缝交叉粘贴的方式，还需要采用具有阻断热桥功能的构造设计、构造拉结及洞口封堵等加强措施，避免被动式超低能耗建筑出现系统性热桥现象。在构造设计方面，如建筑阳台板与主体结构设计时应断开，可以有效降低外围护结构产生热桥情况，且阳台板需利用保温材料全部包裹提升保温性能；在构造拉结方面，如（下转第 148 页）图 2保温防火系统中独立防火分仓单元构造王伟龙，等：超低能耗建筑的真空绝热板复合高性能有机保温板系统构造设计研究134新型建筑材料圆园23援10（上接第 134 页）选取断热桥锚栓等连接配件，可有效避免被动式超低能耗建筑出现系统性热桥；在洞口封堵方面，如管道穿过外围护结构时，需预设置套管，且管道周围需选取合适保温材料密实封闭。此外，被动式超低能耗建筑还必须通过精细化施工、精细化安装才能达到降低热桥损失的目的。4结语通过对传统外墙保温系统形式在超低能耗建筑中的分析研究，结合相关的建筑外墙保温防火理论及规范，设计出的STP 板双层保温系统的构造形式，是对传统外墙保温系统构造设计的一次创新。系统达到了既能够满足被动式超低能耗建筑的节能要求，又能够满足系统在保温防火方面的安全需求，还能够充分发挥各种材料性能特征的目的。参考文献：1郭红斌，王亮亮，安俊慧，等援被动式超低能耗建筑外围护结构关键技术J援中国建材科技，2019，28（2）：11-13.2孙洪明，许红升，高鹏援高性能保温板粘贴-复合体系构造设计与性能研究J援建设科技，2016（11）：50-52.3周琮，仝晖，高雪莹援被动式超低能耗建筑外围护结构隔热保温方法研究J援新型建筑材料，2020，47（7）：125-129.4韩雪琪援STP 真空绝热板外墙保温构造应用研究D.西安：西安建筑科技大学，2021.5田靖，郝翠彩，崔佳豪，等援超低能耗建筑不同外墙保温构造基于软件模拟的热工影响分析J.建筑节能，2021，35（6）：90-97.6GB 500162014（2018），建筑设计防火规范S.7秦力，周末，史巍，等援严寒地区村镇住宅围护结构能耗实测分析J.建筑科学，2017，33（12）：64-69.8曹勇，刘刚，刘辉，等援国内外建筑调适技术的研究进展与现状J.暖通空调，2013，43（4）：18-29.蒉匀分布能有效减少混凝土的干燥开裂，减小收缩效果。（4）纤维复掺7-8在微孔混凝土中多维分布，纤维与微孔混凝土浆体有良好的相容性，纤维可单根分散在浆体中，水泥水化产物附着于纤维表面，把纤维紧紧地包覆住，最终形成网状结构，因此，微孔混凝土收缩时会受到纤维的阻碍，干燥收缩长会降低。复掺纤维对降低干缩率效果较单掺明显。这是因为，2 种纤维由于弹性模量不同，能更好地分散微孔混凝土内部的收缩应力，减少微孔混凝土内部的缺陷，从而一定程度上抑制了收缩的产生和发展。GF 因其弹性模量大，对微孔混凝土干燥收缩的抑制效果大于 PPF，所以复掺纤维组中随着质量比变大，GF 掺量增加，抑制微孔混凝土干燥收缩性能效果更好。3结论（1）3 种不同表观密度的微孔混凝土中掺入纤维m（GF）颐m（PPF）后的干缩率以最小值为最优组的规律排序为：2颐1跃1颐1跃1颐2跃1颐0跃0颐1。（2）单掺和复掺纤维组中，微孔混凝土均是随着表观密度的增长，干缩率呈上升趋势。（3）综合分析可知，表观密度 800 kg/m3微孔混凝土干缩率以空白组最佳；表观密度 1000 kg/m3微孔混凝土干缩率以B5 最佳；表观密度 1200 kg/m3微孔混凝土干缩率以 C5 最佳。参考文献：1曹万智，王洪镇，邵继新，等.纤维增强微孔轻质混凝土系列墙体制品的研制开发J.建筑砌块与砌块建筑，2004（4）：39-41，43.2Chengfeng Fang，Mohamed Ali，Tianyu Xie，et al.The influenceof steel fibre properties on the shrinkage of ultra-high perfor原mance fibre reinforced concrete J.Construction and BuildingMaterials，2020，242：117993.3Hadipramana J，Samad A A A，ZAIDI A M A，et al.Contri-bu原tion of polypropylene fibre in improving strength of foamedcor原creteJ.Advanced Materials Research，2012，626：762-768.4王洪镇，邵方杰，曹万智，等.普硅水泥和低碱度硫铝酸盐水泥复合体系性能的研究J.混凝土，2018（9）：89-92.5关蕾蕾，陈永贵，叶为民，等.泡沫混凝土收缩及其抑制方法研究进展J.土木工程学报，2023，56（3）：32-43.6王欣，万朝均，胡伟伟.水泥石的干燥收缩及其与水化程度的关系J.中国建材科技，2011，20（4）：59-62，82.7詹炳根，李建勋，林涛.混杂纤维对泡沫混凝土收缩开裂的影响J.合肥工业大学学报（自然科学版），2020，43（3）：400-405.8赵雅明，张明飞，张振，等.混杂纤维增强高强混凝土性能研究J.硅酸盐通报，2022，41（7）：2299-2307.蒉曹万智，等：纤维种类对微孔混凝土干缩性能的影响研究148