嚴寒地區被動式低能耗建筑外墻構造優化設計研究

王麗穎，謝美君

WANG Li-ying, XIE Mei-jun

（長春工程學院）

(Changchun Institute of Engineering)

在采暖建筑的總耗熱量中的大部分熱量是由外墻所傳遞出去的。所以在我國嚴寒地區實施被動式低能耗建筑最大的難點就是提高外圍護結構的外墻保溫性能。

1　國內外墻體外保溫的發展概述

外保溫體系的發展歷程是在近二十多年來的學習以及引進國外先進技術的基礎上，并且結合大量的科研、開發、試點，從膨脹聚苯板薄抹灰到現在采用不同材料、不同做法的體系。相關應用體系的產品標準、構造圖集以及施工規程相繼配套。在中國建筑市場中，國外先進的應用體系也越來越多。我國主導性的節能措施也逐漸成為外墻外保溫并應用于各項建筑工程中。

2　國內建筑墻體的保溫材料的比較

2.1　無機保溫材料

無機保溫材料主要有巖棉、膨脹礦渣、泡沫混凝土、加氣混凝土、膨脹珍珠巖、泡沫玻璃、真空絕熱板、玻璃棉等。無機保溫材料在建筑工程中應用廣泛，其特點有防火阻燃，較小的變形系數，其能與墻基層和抹面層緊密結合,以及安全穩固性好等。并且與有機保溫材料相比，施工難度減小，其保溫層強度及耐久性更好，更環保，使用年限久，工程成本較少，能夠循環利用。缺點是容重比有機保溫材料大，保溫熱效率較差。

2.2　有機保溫材料

有機類保溫材料主要有EPS聚苯乙烯泡沫板、XPS擠塑聚苯乙烯泡沫板、PU硬質聚氨酯泡沫、PF酚醛樹脂泡沫等。有機保溫材料的優點有自量輕、較好的致密性和可加工性、保溫隔熱等，但是相比無機保溫材料，其抗老化差、穩定性和安全性較差、變形系數較大、不防火、生態環保性差、施工難度更大、造價高，其資源有限，且難以循環再利用。

2.3　復合保溫材料

復合保溫材料主要有STP真空絕熱保溫材料、石墨烯EPS保溫模塊、硅質改性聚苯板材料，解決無機保溫材料與有機材料的缺陷，使材料的各種性能得到最優化最合理的利用，并且有效提高保溫效果。

3　外墻的優化設計

3.1　STP真空絕熱保溫板構造墻體

STP真空絕熱保溫板是一種新型外墻保溫板，STP真空隔熱保溫板的傳熱系數極低，傳熱系數只有0.008W/（m2·K），通過計算STP板的厚度為50mm時，其構造墻體的綜合傳熱系數為0.142W/（㎡·K），在STP板的外層再設置一道20mm厚的無機保溫砂漿，可以明顯降低墻體的傳熱系數，為了保護保溫板，在其最外層設置抗裂纖維網格外涂15mm厚的高強防水砂漿。由于STP板的真空包裝，不能現場切割，需要用到的STP板必須在出廠前就根據建筑尺寸定制好，不允許出現偏差，不似普通保溫板能夠現場切割，補充邊角，給施工帶來一定的困難。此外50mm厚的STP板雖然不厚，但是其密度較高，為450kg/m3，因此其自重較大。STP板的特性是表面非常光滑，與墻體粘結不容易，其與墻主體的連接處直接接觸的是鋁箔玻璃纖維布，因此需要用螺栓固定來提高安全性。在STP板上預留螺栓孔，錨固時使用帶圓環的專用保溫脹栓即可。

表1　建筑外墻保溫材料物理指標對比

3.2　石墨烯保溫模塊構造墻體

改性石墨烯保溫模塊是在傳統EPS模塊中填充少量改性石墨烯制成，石墨烯是目前研發的硬度最高、導電性能最好、韌性最強的二維納米材料。傳統EPS保溫模塊本身缺欠，不能滿足被動式低能耗建筑持續發展的要求，而改良后的石墨烯保溫模塊保溫性能得到明顯提高、強度加強、防火性能更好，并且改良石墨烯保溫模塊的傳熱系數較低，為0.028W/（m2·K），使用夾芯石墨烯保溫模塊墻體，外葉墻用20mm厚水泥纖維板，起到保護墻體的作用，然后通過電焊網片連接160mm厚石墨烯保溫模塊，再通過錨釘連接200mm厚鋼筋混凝土以及150mm厚水泥纖維板，外墻整體傳熱系數為0.15W/（m2·K），滿足要求。在石墨烯保溫模塊層外設置一道20mm厚的保溫砂漿，其外墻整體的傳熱系數降低，保溫層的強度也增強。

圖1　中間夾心預制保溫板

3.3　硅質改性聚苯板構造墻體

硅質改性聚苯板是在傳統的模塑聚苯乙烯泡沫板的基礎上研制而成，通過改良后其耐火性能夠達到A級，1300℃灼燒一小時，物理性質不發生改變，不變形；化學性質也不發生變化，過火后，依然可以繼續使用，能夠利用于公共建筑當中，在生產過程中不會產生廢料、廢水、廢氣。在大火燃燒時無煙無味，生產過程中產生的邊角料還可以重復利用，易加工生產，生產效益高。硅質改性板的傳熱系數為0.035W/（m2·K）。對于保溫板的做法可以采用整澆模板與模塊式結合鋪設，硅質改性聚苯板是目前最適合嚴寒地區公共建筑的保溫材料。

3.4　中間夾心預制保溫板（見圖1）

此種復合墻體構造方式可應用在嚴寒地區被動式低能耗建筑的外墻上，其保溫層位于墻體中間，保證了施工時保溫材料過厚而出現連接不穩固的弊端。預制夾芯保溫板具備A級防火等級的優良防火性能，可直接用于公共建筑的外墻板，預制板能夠在現場直接安裝，其傳熱系數能達到0.17 W/（㎡·K），若將預制夾芯板與其他保溫材料結合，能夠增加墻體的保溫性能，其傳熱系數可達到0.15W/（㎡·K）,足以達到被動式建筑對墻體的傳熱系數要求。建筑若采用預制夾芯板、鋼結構墻體，其施工方便快捷，噪聲較小，減少建筑垃圾，更加節能環保。

4　結語

通過建筑物外墻保溫構造及選用導熱系數相差很小的STP真空絕熱保溫材料、改性石墨烯保溫材料、硅質改性聚苯板材料，以及運用中間夾芯預制保溫板，能減少材料的用量和墻體厚度，并且有效提高墻體的保溫性能，滿足了穩定性、經濟性及節能性，是被動式低能耗建筑發展過程中一個重要突破。

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