首選氣凝膠!夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用
隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,我國(guó)加快推進(jìn)了各領(lǐng)域的碳減排工作。2022 年 3 月 11 日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科技發(fā)展規(guī)劃》,將城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳技術(shù)列為“十四五”規(guī)劃中制定住房和城鄉(xiāng)建設(shè) 9 個(gè)重點(diǎn)任務(wù)的首位,其中細(xì)分了 9 條具體建設(shè)任務(wù)的研究方向,除低碳能源、低碳發(fā)展、低碳建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)外,重點(diǎn)明確了低碳建材和外墻保溫材料 2 項(xiàng)研究技術(shù)方向。本文旨在“碳達(dá)峰”目標(biāo)下,對(duì)夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展歷程進(jìn)行梳理和總結(jié),并對(duì)夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫隔熱技術(shù)展望路徑進(jìn)行了研究和分析,提出了未來(lái)可滿足超低能耗建筑需求的夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)形式,為夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)的提升發(fā)展提供參考。
夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)
發(fā)展歷程
我國(guó)的夏熱冬冷地區(qū)是一個(gè)氣候特征比較特殊的地區(qū),既要滿足夏季隔熱的要求,又要滿足冬季保溫的要求。在全球化氣候環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻,節(jié)能減排日益重視的背景下,建筑領(lǐng)域的減碳降耗也越發(fā)顯得重要,夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能越來(lái)越受到人們的關(guān)注,并展開了大量研究。我國(guó)自 20 世紀(jì) 80年代開始踐行生態(tài)綠色發(fā)展理論,對(duì)建筑行業(yè)提出了降低生產(chǎn)能耗的要求,北方地區(qū)建筑節(jié)能工作最先開始,并逐步推進(jìn)發(fā)展。隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步完善,法規(guī)、政策進(jìn)一步實(shí)施,我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)也于 20 世紀(jì)末開始了建筑節(jié)能的試點(diǎn)工作。
建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為室內(nèi)和外部環(huán)境相分隔的物質(zhì)實(shí)體方式,在功能上應(yīng)滿足建筑節(jié)能目的。外墻保溫隔熱是圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要技術(shù)之一,其技術(shù)原理主要通過降低外墻導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致減少室內(nèi)外熱交換,使建筑室內(nèi)冬季散熱少、夏季得熱少。我國(guó)的建筑節(jié)能工作開始于 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初,隨著建筑節(jié)能要求逐步提高,相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)法規(guī)也相繼發(fā)布實(shí)施,建筑節(jié)能率從最初要求的 30%分階段性提高至 75%。建筑外墻保溫隔熱技術(shù)經(jīng)歷了快速的發(fā)展周期,同時(shí),應(yīng)用于建筑外墻的保溫材料也發(fā)生著巨大演變,新型保溫隔熱材料迭代更新、不斷涌現(xiàn)。表 1 總結(jié)了建筑節(jié)能不同發(fā)展時(shí)期的外墻保溫隔熱技術(shù)變化過程,不同時(shí)期建筑節(jié)能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)以及相應(yīng)的建筑外墻保溫材料。
由表 1 可以發(fā)現(xiàn),隨著近幾十年來(lái)在建筑節(jié)能上的分段式戰(zhàn)略性發(fā)展,我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。分段式發(fā)展,實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑節(jié)能水平的提高,逐步提高我國(guó)建筑節(jié)能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及政策法規(guī)對(duì)建筑節(jié)能的技術(shù)要求,促進(jìn)了建筑節(jié)能技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展。在對(duì)技術(shù)不斷完善的革新過程中,充分發(fā)展建筑外墻保溫技術(shù)體系,研究和開發(fā)建筑外墻保溫材料不斷更新迭代,在每個(gè)歷史階段都較好地順應(yīng)了建筑節(jié)能的時(shí)代發(fā)展。
然而,建筑外墻外保溫技術(shù)體系現(xiàn)存問題較多,無(wú)機(jī)型保溫砂漿類產(chǎn)品吸水率較高,抹灰施工后容易空鼓開裂;有機(jī)類保溫板材防火性能較弱,容易出現(xiàn)火災(zāi)安全隱患。隨著全建筑領(lǐng)域“碳達(dá)峰”目標(biāo)的加快實(shí)施,建筑節(jié)能的發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)全新的歷史時(shí)期,“低碳”“零碳”等超低耗能建筑在新建及改建項(xiàng)目上將實(shí)現(xiàn)實(shí)施面積總量的巨大突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)“,十三五”規(guī)劃期間,我國(guó)累計(jì)建設(shè)完成的超低、近零能耗建筑面積近 0.1 億㎡,住建部印發(fā)的《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》文件提出,至 2025 年我國(guó)要完成既有建筑改造面積 3.5 億㎡以上,建設(shè)超低能耗、近零能耗建筑 0.5 億㎡,在 “雙碳”目標(biāo)背景下,建筑節(jié)能發(fā)展前景巨大。但現(xiàn)有的建筑外墻保溫技術(shù)尚不能完全滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高,在新的歷史時(shí)期,我國(guó)的建筑節(jié)能工作亟需在建筑外墻保溫隔熱材料和應(yīng)用技術(shù)中實(shí)現(xiàn)巨大突破。
夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻保溫隔熱技術(shù)
發(fā)展方向
夏熱冬冷地區(qū)夏季氣溫高、冬季氣溫低。該地區(qū)的建筑外墻保溫隔熱要求相對(duì)其他地區(qū)更加復(fù)雜,既要滿足夏季隔熱要求,又要滿足冬季保暖要求。
近年來(lái),國(guó)家和地方政府陸續(xù)發(fā)布高技術(shù)指標(biāo)要求的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),如 GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) DB 33/1092—2020《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、 DB 33/1015—2015《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(簡(jiǎn)稱省標(biāo)2015)、DB 33/1015—2021《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(簡(jiǎn)稱省標(biāo)2021)、 DB 33/1036—2021《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能提出的指標(biāo)要求上升至更高水平,其中夏熱冬冷地區(qū)外墻平均傳熱系數(shù) K 值在 GB/T 51350—2019 中規(guī)定為近零能耗建筑不應(yīng)大于 0.4 W/( ㎡·K),DB 33/1015—2021 則將浙江省北區(qū)的居住建筑外墻平均傳熱系數(shù) K 值在超低能耗建筑中限定為不大于 0.6 W/ (㎡·K),可見建筑節(jié)能要求日趨提高,建筑節(jié)能外墻保溫隔熱技術(shù)發(fā)展水平的提升任重道遠(yuǎn)。
作為夏熱冬冷地區(qū)普遍采用的建筑外墻保溫隔熱技術(shù)形式,外墻外保溫能夠有效隔絕冷熱橋,很好地起到冬季保溫和夏季隔熱的作用。然而,工程質(zhì)量管理存在問題,低價(jià)中標(biāo)等導(dǎo)致了外墻外保溫質(zhì)量受到極大影響,加上本身保溫材料柔性疏水特質(zhì),與基層水泥基材料相容性存在較大問題,界面層的耐久性要求更高,因此現(xiàn)有外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命只有25 年。按照 JGJ 134—2010 中 65%的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),夏熱冬冷地區(qū)外墻外保溫中采用的有機(jī)類保溫層厚度一般需達(dá)到 2~3cm,而無(wú)機(jī)類保溫層厚度需達(dá) 5 cm 以上,同時(shí)抹灰層系統(tǒng)空鼓脫落時(shí)有發(fā)生,存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。此外,有機(jī)保溫板材一旦燃燒會(huì)迅速蔓延發(fā)生火災(zāi),目前的外墻外保溫技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用存在一定的安全和火災(zāi)隱患。當(dāng)下,隨著節(jié)能要求的進(jìn)一步提高,特別是建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出,夏熱冬冷地區(qū)采用新材料、新技術(shù)、新系統(tǒng)既應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能新要求,又應(yīng)解決傳統(tǒng)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),技術(shù)和產(chǎn)品需要兼顧安全性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性和防火性,這也是行業(yè)發(fā)展急需解決的問題。
夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫隔熱材料的應(yīng)用研究分析
通過參照建筑材料基本熱工參數(shù)(見表 2),對(duì)傳統(tǒng)建筑外墻保溫材料在近零能耗標(biāo)準(zhǔn)要求下需使用的厚度進(jìn)行計(jì)算比較,本文選取了 2 個(gè)情景示例作為計(jì)算模型,建模的邊界條件設(shè)置(見表 3),居住建筑外墻保溫層厚度計(jì)算結(jié)果見表 4。
由表 4 可知:(1)氣凝膠材料在近零能耗建筑節(jié)能中外墻平均傳熱系數(shù)規(guī)定的指標(biāo)要求下,其理論應(yīng)用厚度遠(yuǎn)小于其他保溫材料,比傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)輕集料板減少 60%以上。這與氣凝膠產(chǎn)品優(yōu)異的保溫隔熱性能密切相關(guān)。(2)聚氨酯復(fù)合材料和超薄真空絕熱板STP 板的應(yīng)用厚度也很小,在超低能耗建筑的外墻節(jié)能的技術(shù)要求中,以往保溫材料的使用厚度都達(dá)到 50 mm 以上,這對(duì)工程應(yīng)用極為不利,而聚氨酯、STP 板和氣凝膠這 3 種材料因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)低,在建筑節(jié)能要求不斷提高的形勢(shì)下,將對(duì)建筑節(jié)能外墻保溫隔熱發(fā)揮極大的作用。通過模擬計(jì)算和對(duì)比分析研究,上述性能優(yōu)異、高絕熱新型保溫材料的產(chǎn)品特點(diǎn)主要包括以下幾方面:
(1)氣凝膠復(fù)合保溫絕熱制品
氣凝膠復(fù)合絕熱制品是以二氧化硅氣凝膠為主要材料內(nèi)置增強(qiáng)纖維制成的固態(tài)制品,有氈和板等多種產(chǎn)品形式。氣凝膠復(fù)合保溫絕熱制品導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.02 W/(m·K),具有極優(yōu)的保溫絕熱性能,且力學(xué)性能好,綜合性能優(yōu)異,但其也存在 價(jià)格貴、成本高的缺點(diǎn)。
(2)STP 板
超薄真空絕熱板,也稱 STP 板,是真空保溫材料的一種, 由二氧化硅或玻纖芯材填充和真空保護(hù)層復(fù)合而成,能夠有效抑制空氣對(duì)流的熱傳導(dǎo),導(dǎo)熱系數(shù)低,為 0.008 W/(m·K),保溫性能突出。
(3)聚氨酯/巖棉復(fù)合保溫板材
將 A 級(jí)防火巖棉板與水泥布膠粘,然后進(jìn)行聚氨酯樹脂涂布,制備聚氨酯/巖棉復(fù)合保溫板,具有優(yōu)異的保溫性能,導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá) 0.03 W/( m·K)以下。
上述幾類高性能保溫絕熱材料在外墻外保溫中的應(yīng)用可以極大提升墻體的節(jié)能性,降低建筑能耗。氣凝膠絕熱制品以無(wú)機(jī)二氧化硅主體材質(zhì),耐候性好、持久耐用、導(dǎo)熱率低、保溫隔熱性能優(yōu)異。STP 板雖然具備極低的導(dǎo)熱系數(shù),但是其受溫度應(yīng)變影響大,易產(chǎn)生破裂,在夏熱冬冷地區(qū)因?yàn)榇嬖谳^大的季節(jié)性溫差變化(夏季氣溫高,冬季氣溫低),此類材料往往應(yīng)用效果不理想。聚氨酯材料制品由于其有機(jī)質(zhì)的成分特征,不可避免地存在材料制品本體的火災(zāi)安全隱患問題,因此,在夏熱冬冷地區(qū),在以碳達(dá)峰為目標(biāo)的高效節(jié)能外墻保溫隔熱工程中,氣凝膠相關(guān)絕熱制品可作為墻體節(jié)能應(yīng)用的優(yōu)選材料。
夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫隔熱系統(tǒng)的應(yīng)用研究分析
基于夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征,在建筑外墻保溫隔熱工程上主要采取了外墻外保溫系統(tǒng)、外墻保溫結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)、外墻夾心墻板系統(tǒng) 3 類。對(duì) 3 類系統(tǒng)在安全性、節(jié)能性、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表 5 所示。
由表 5 可見,外墻外保溫系統(tǒng)具有簡(jiǎn)易的構(gòu)造形式、便捷的施工方式,其面板與保溫材料能有效復(fù)合,與墻體基層能實(shí)現(xiàn)可靠連接,是夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫隔熱中普遍的應(yīng)用形式。此外,氣凝膠這種高效隔熱的低導(dǎo)熱材料在外墻外保溫系統(tǒng)中作為保溫材料能夠極大提高外保溫系統(tǒng)的節(jié)能性,是實(shí)現(xiàn)建筑超低能耗的主要節(jié)能技術(shù)手段。同時(shí),將氣凝膠高隔熱制品與外墻結(jié)構(gòu)一體化,作為免拆模板在混凝土現(xiàn)澆系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)外墻的高節(jié)能性,當(dāng)應(yīng)用于內(nèi)置保溫層外墻夾心墻板時(shí),雙側(cè)墻板能夠很好地防護(hù)支撐,適用氣凝膠此類絕熱好,但易變形、剛度差的材料,可以有效地提高外墻保溫隔熱性。同時(shí),也在一定程度上推動(dòng)建筑工業(yè)化發(fā)展。
結(jié)論與展望
綜上研究分析,隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷提高,在 75%節(jié)能率要求下,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑墻體可采用內(nèi)外保溫復(fù)合的技術(shù)形式,如采用熱固性聚苯乙烯泡沫板或發(fā)泡陶瓷保溫板進(jìn)行外墻外保溫,采用無(wú)機(jī)保溫砂漿作為內(nèi)保溫,二者相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)建筑外墻保溫節(jié)能。然而,在超低能耗建筑中,熱固性聚苯板、發(fā)泡陶瓷保溫板以及保溫砂漿等傳統(tǒng)材料無(wú)法滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能要求。本文討論中的項(xiàng)目研究所采用的氣凝膠、聚氨酯泡沫等新型保溫隔熱材料應(yīng)以滿足超低能耗建筑節(jié)能率為要求,在系統(tǒng)構(gòu)造方面進(jìn)行復(fù)合保溫免拆模板、結(jié)構(gòu)保溫一體化以及金屬面板保溫裝飾一體化等多種構(gòu)造形式的技術(shù)性研究,并進(jìn)一步加快試點(diǎn)工程應(yīng)用,驗(yàn)證材料和系統(tǒng)的高節(jié)能性。