超低能耗建筑的真空絕熱板復合高性能有機保溫板系統構造設計研究

王偉龍，陳興濤，左長安，3，馬振偉

（1.中國中建設計研究院有限公司，北京 100044；2.山東建筑大學建筑城規學院，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，使得建筑領域的低碳轉型迫在眉睫。在建筑領域，建筑墻體的保溫節能工程是極其重要的一部分，對積極推進我國城鄉建設領域實現“雙碳”目標具有重要意義。在未來一段時期內，城鄉建設領域將會全面提升建筑能效水平，進一步提高建筑節能設計標準，使建筑向著被動式超低能耗建筑等方向發展。被動式超低能耗建筑對外圍護結構傳熱系數的要求為≤0.15 W/（m2·K）[1]，遠高于我國普通建筑的節能要求，而建筑外圍護結構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，在傳統外墻保溫系統構造的基礎上，設計出了適用于被動式超低能耗建筑外墻保溫系統的新型構造方式。

1 發展背景

隨著節能設計標準的提高以及被動式超低能耗建筑的推廣應用，使得建筑外墻的節能保溫構造形式面臨新的挑戰。首先，當外圍護結構傳熱系數達到被動式超低能耗建筑的技術要求時，傳統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中單位面積內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，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抵抗自身荷載的能力減弱，且系統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中保溫板厚度的對比分析可知（見表1），只有采用導熱系數低的外圍護結構保溫材料，才能在滿足被動式超低能耗建筑高節能率要求的同時，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外墻的安全，而且會隨著GB 55031—2022《民用建筑通用規范》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中保溫板厚度對比

超低能耗建筑外墻保溫系統在過去大多采用薄抹灰外墻外保溫系統，隨著外墻保溫系統的安全耐久、防火、防水等問題的提出，內置保溫現澆混凝土復合墻體系統等外墻保溫構造也陸續在超低能耗建筑外墻保溫系統中得到應用[5]。本文以薄抹灰外墻外保溫系統和內置保溫現澆混凝土復合墻體系統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，以此為新的構造系統提供參考依據。

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構外墻保溫系統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，具有導熱系數小、保溫性好、厚度薄等優異性能。

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的基礎上，結合內置保溫現澆混凝土復合墻體系統的構造原理，按照相關建筑外墻保溫防火理論的要求，設計出了STP 板+高性能有機保溫板雙層粘結構造的方式，來實現被動式超低能耗建筑在保溫節能、防火安全、經濟適用等方面的要求。

2 系統構造

STP 板+高性能有機保溫板雙層粘結構造防火保溫系統（以下簡稱STP 板雙層保溫系統）由飾面層（20 mm 厚混合砂漿）、基層墻體（200 mm 厚混凝土墻體）、內側粘結層（10 mm厚粘結砂漿）、B 級保溫層（高性能有機保溫板）、中間粘結層（5 mm 厚粘結砂漿）、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）、飾面層（涂料、飾面砂漿或柔性面磚等）、防火構造（防火分倉單元）、錨固件（斷熱橋錨栓）等構成，如圖1 所示。

圖1 STP 板雙層保溫系統基本構造

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造層，STP 板外側的防護層、抹面層及飾面層共同構成STP 板的保護層。該系統中B 級保溫層外側的構造層次共同構成50 mm 不燃性結構防護層，滿足GB 55037—2022《建筑防火通用規范》中6.6.2 條對B1 級或B2級保溫材料兩側不燃性結構厚度均不應小于50 mm 的規定。相較于傳統的薄抹灰外墻外保溫系統，STP 板雙層保溫系統的構造形式不需要每層設置高度不低于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 板雙層保溫系統中不同保溫板厚度對比見表2。

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

3 技術措施

為了實現STP 板雙層保溫系統在被動式超低能耗建筑應用中的最優性能。根據被動式超低能耗建筑所處地理位置、氣候區和外圍護結構形式，結合不同性能的外圍護結構保溫材料，從提高系統的防火性能和減少系統的熱橋損失2 方面來保障系統的效能最大化。

3.1 提高系統的防火性能

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的防火安全系數，系統以薄抹灰外墻外保溫系統中每層設置水平防火隔離帶為理論基礎，從控制火災發生和阻斷火焰蔓延2 方面對B 級保溫層進行了防火構造設計。通過在B 級保溫層中增設由橫向防火隔離條（A級不燃材料）與豎向防火隔離條（A 級不燃材料）正交交叉形成的網格狀防火分隔單元，B 級保溫層內不連貫、獨立的防火分隔單元與外側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，對內側B 級保溫層進行了有效的分隔，如圖2 所示。

圖2 保溫防火系統中獨立防火分倉單元構造

構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，其內部材料吸熱并發生熱熔收縮，形成由無機膠凝材料支撐的閉合孔洞，對內部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將火勢限定在特定的區域內，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定性，起到了防止火災發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防火性能的目的。

3.2 減少系統的熱橋損失

建筑的熱橋會造成外圍護結構熱負荷或冷負荷，并使建筑外圍護結構內表面冷凝發霉現象的概率增加，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計對于實現超低能耗甚至近零能耗具有重要意義[7]。

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

在STP 板雙層保溫系統中，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 層保溫材料間出現通縫，最大限度地減少系統熱橋。

圖3 STP 板保溫系統雙層錯縫粘結優化設計

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造設計、構造拉結及洞口封堵等加強措施，避免被動式超低能耗建筑出現系統性熱橋現象。在構造設計方面，如建筑陽臺板與主體結構設計時應斷開，可以有效降低外圍護結構產生熱橋情況，且陽臺板需利用保溫材料全部包裹提升保溫性能；在構造拉結方面，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系統性熱橋；在洞口封堵方面，如管道穿過外圍護結構時，需預設置套管，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 語

通過對傳統外墻保溫系統形式在超低能耗建筑中的分析研究，結合相關的建筑外墻保溫防火理論及規范，設計出的STP 板雙層保溫系統的構造形式，是對傳統外墻保溫系統構造設計的一次創新。系統達到了既能夠滿足被動式超低能耗建筑的節能要求，又能夠滿足系統在保溫防火方面的安全需求，還能夠充分發揮各種材料性能特征的目的。