节能装饰一体化板材的研究与应用进展

节能装饰一体化板材的研究与应用进展

邓嫔1，蹇守卫2

(1.中国建筑材料集团有限公司，北京 100036；

2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

摘要：该文针对节能墙体材料这一关键建筑节能用材料在建筑工业化发展过程中的问题，比较了国内外发展保温装饰一体化板材的趋势，分析了国内在保温装饰一体化领域存在的主要技术问题，在此基础上，并提出具体的解决方案，指出节能装饰一体化板材的发展方向。

关键词：节能；装饰；一体化；研究进展

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.021

Abstract:Aiming at wall material, which is the key energy-saving construction material used in the construction of industrialization development, this paper compares the domestic and foreign development trend with thermal insulation and decoration integrated plate, and analyses the main technical problems in the thermal insulation and decoration integrated field in China. On this basis,the paper puts forward the concrete solution, and introduces the development of thermal insulation decorative integration plate in the process in the Twelfth Five Year Plan period, points out the development direction during the thirteenth.

收稿日期：2015-05-06.

基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAJ04B02).

作者简介：邓嫔(1982-)，工程师.E-mail:875864640@qq.com

Research and Development of Insulated Decorative Panal

DENGPing1,JIANShou-wei2

(1.China Building Materials Group Co, Ltd,Beijing 100036,China；2.State Key Laboratory of Silicate

Materials for Architectures,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Key words:energy;efficiency;decorative;development

能源是人类社会存在与发展的基石，是新世纪发展的动力，也是制约我国经济发展的重要因素。

2013年，中国能源消耗达37.5亿t标准煤，其中建筑能耗约占全社会能源消费的28%～30%，达10.5～11.25亿t，排放NOx、SO2和粉尘量分别为896.9万t、720.6万t和270.3万t。可见，建筑能耗已成为我国建筑能耗的重要组成部分，采取必要的措施减少建筑能耗已成为保障我国能源安全、改善生活环境的必要举措。

经过数十年的努力，我国在建筑节能技术和推广方面取得了举世瞩目的成就，但目前我国在建筑节能技术方面仍存在的缺陷，特别是在建筑节能专用材料和应用技术方面，近年来进展缓慢，难以满足我国人民安全、舒适、耐久的居住要求和快速提升的节能标准要求，也不能满足建筑工业化的发展趋势。

墙体是建筑的重要组成部分，其质量百分比通常占建筑材料总量的70%以上，在建筑节能技术中占有重要的地位，但目前仍存在节能效果低、防火性能差、渗漏裂等显著缺陷；同时，大量的手工施工作业方式也不能适应建筑工业化的发展趋势要求。因此，发展新型节能墙体材料，符合我国坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，对加快构建低碳、高效、可持续的现代能源体系，以达到《行动计划》中所提出的“我国一次能源消费总量到2020年控制在48亿t标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿t左右”的战略目标要求和中国在哥本哈根气候会议上提出的“到2020年碳排放强度要在2005年的基础上降低45%”减排承诺具有重要的意义。

1国内外研究现状

1.1　国外研究现状

发达国家从1973年能源危机起开始关注建筑节能，之后由于减排温室气体、缓解地球变暖的需要，更加重视建筑节能，不断修订建筑标准，涉及墙体节能材料、使用方法和评价技术等多个方面的数十个标准和产品认证体系。根据欧盟对低能耗建筑的发展蓝图，2020 年起所有新建建筑必须符合“净零能耗标准”。成员国对该标准的定义和目标不一，其中德国和瑞典计划于 2020 年使建筑行业脱离化石能源依赖。发达国家对建筑行业能源规划的共识是首先降低建筑一次能耗需求，其次利用可再生能源，从技术思路上，它摒弃了传统上依靠主动技术堆砌绿色建筑的认识，因此，节能墙体材料的重要性在未来将更加突出。

总的来说，欧盟对外墙保温系统的总体要求包括：机械稳定性、防火性、健康性、安全性、节能性、耐久性等多个方面的内容。目前实施的材料标准主要包括EN 13162∶2012(矿棉)、EN 13163∶2012(膨胀聚苯乙烯)、EN 13164∶2012(聚苯乙烯泡沫)、EN 13165∶2012(聚氨酯泡沫)、EN 13166∶2012(酚醛泡沫)、EN 13167∶2012(泡沫玻璃)、EN 13172∶2012(建筑用隔热产品-合格评估)等，而这些标准也基本表明了欧盟目前使用的保温材料类型、技术参数和总体要求，也是欧盟相关产品进口的依据。

2012年，Jo⊇lle Noailly在前人研究的基础上，详细比较了部分发达国家节能标准对外墙传热系数U值的规定发展历程，并由此计算出因为建筑法规的进步导致的标准建筑能耗变化[1]，其计算结果如图1所示(考虑到气候寒冷地区对建筑U值的要求更大，因此作者根据每个国家的采暖度日数进行了气候因子修正，以使其处于同一基准)。由图1可见，目前在墙体传热系数方面欧洲主要的标准规定范围为0.6～2.0 kWh/m2K，其中变化幅度最大的是德国(DE)，其U值由1977年的4.7 kWh/m2K降为0.6 kWh/m2K，即U值降低为原有标准的12.8%，成为欧洲对U值要求最严格的是国家；由此带来的能耗降低比例为72.2%。此外，英国(GB)、芬兰(FI)等国传热系数也显著下降，英国传热系数降低幅度为50.9%，芬兰则降低了63.8%，而由此带来的标准房屋建筑能耗范围与U值变化呈现较好的相关性。经过技术研发和标准的不断更新，欧盟多数国家的建筑围护结构热工性能指标已提高了3～8倍。在生活舒适性不断提高的条件下，新建建筑单位面积能耗已减少到原来的1/3～1/5。

除材料本身外，材料的施工过程与建筑使用过程的节能效果和施工使用过程的节能减排也具有密切的相关性。目前世界各国已对推进建筑产业化(Building Industrialization)在节能节水、降低污染、提高效率等方面的重要性形成了共识。建筑产业化是指运用现代化管理模式，通过标准化的建筑设计以及模数化、工厂化的部品生产，实现建筑构部件的通用化和现场施工的装配化、机械化。与传统建造方式比较，建筑产业化具有显著的优势，建筑产业化能减少用工50%、缩短工期30%～70%，节水60%、节省木材80%、节省其它材料20%、减少垃圾80%、减少能耗70%。同时，建筑产业化可促进新技术、新材料、新设备和新工艺的大量运用，大大提升建筑安全性、舒适性和耐久性，同时可带动设计、建材、装饰等50多个关联产业产品的技术创新。

在建筑节能和建筑工业化方面，存在很好的契合点。国外已开展了大量的工作，1970—1980年间，德国Peter Ballas发明了金属铝板饰面聚氨酯一体化板材，并将其推广应用于建筑保温体系中。2014年12月，课题组到瑞典马尔默考察时，现场参观了3个保温材料施工现场，其中一个正在进行一体化的板材施工。图2为瑞典马尔默工地保温装饰一体化板材施工现场及板材运输过程，由图可见，该工地所使用的板材已提前将窗户与保温装饰一体化板材复合。进一步调查发现，该板材为两面水泥基板材作为保护层、有机涂料作为装饰层，窗户与板材预先复合后表面覆膜构成，该板材可有效降低窗户热桥损失；其施工为吊装后锚固，然后粘贴的简单施工方式。

1.2　国内研究现状

经过多年的发展，我国建筑节能工作已经取得显著成效，节能标准已由节能30%的标准开始，大规模普及节能50%，并在全国大量的城市实施节能65%及更高的标准要求，超越建筑节能概念而进一步实施的绿色建筑标准也从2005年开始，在全国大量推广。在节能标准大幅度提升的同时，我国建材科研和生产单位也从保温材料生产、产品应用等技术开展了大量工作，形成了以保温浆料系统、薄抹灰板材系统和保温装饰一体化系统为代表的3代节能保温材料体系。

以北京振利为代表的聚苯颗粒保温砂浆是以聚苯颗粒为主要保温功能填料，以水泥砂浆为粘结剂，以聚合物抗裂砂浆为保护层的复合系统。该系统提出了外墙外保温的逐层渐变，柔性释放压力的技术路线，为我国建筑节能的推广提供了廉价的材料，但由于其导热系数较大，难以满足国家节能50%以上的标准要求，因此自2005年开始，在许多地区已限制使用。2011—2012年，由于受到国内几起严重的有机保温板材燃烧的影响，在此基础上改良的玻化微珠保温浆料由于不燃的天然优点，在国内得到大量推广应用，但随着2012年12月公安部消防局下发《关于民用建筑外保温材料消防监督管理有关事项的通知》(350号文)，保温材料防火性能要求放宽到普通保温材料范围，玻化微珠保温浆料系统又陆续退出国内市场。

以EPS为代表的薄板薄抹灰系统是我国具有代表性意义的第二代保温材料系统，也是世界上目前应用范围最广泛的系统。它以EPS、PU或岩棉为主要保温材料，以聚合物砂浆为保护材料，现场施工而成。由于导热系数小、性价比高等优点，广泛应用于民用建筑和公共建筑中。但该系统也存在明显的缺陷，如有机板材防火性能差、无机板材吸水率大，保护层材料需要现场施工、湿作业、施工工序长、施工质量难以保证等。

为解决现场施工质量难以保证、施工周期长等问题，国内许多科研机构和生产单位开始研究集保温、装饰一体的干作业的新型保温隔热材料。外保温装饰一体化方案就是把外墙施工所用的保温材料和装饰材料放在工厂中进行预制，制成成品后再安装到墙面上[2-4]。最初的一种做法是用专用的固定件将不易吸水的各种保温板固定在外墙上，然后将铝板、天然石材、彩色玻璃等外挂在预先制作的龙骨上，直接形成装饰面。由贝聿铭先生设计的中国银行总行办公楼的外墙保温就是采用的这种设计。这种外挂式的外保温安装费时，施工难度大，占用主导工期，待主体验收完后才可进行施工。在进行高层施工时，施工人员的安全不易得到保障。

从2005年开始，武汉理工大学、湖北卓宝、北京富思特、上海亚士漆、上海笨鸟等多家公司都推出了集保温装饰一体化的新型多功能板材。其主要的结构形式是保温材料+保护饰面材料+粘结剂组成，其中保温材料可为EPS板、XPS板或PU等，饰面材料为铝塑板、石材、金属面等(图3为湖北卓宝生产的薄石材保温装饰一体化板材的基本构造)[5-9]。这种新型多功能板材是在外墙外保温技术基础上发展而来，采用工厂预制生产、现场安装工艺，有利于提高建筑工业化、产品标准化、施工装配化水平，缩短施工工期。

2存在问题

2.1　板材及系统的高效节能

由于一体化板材构造是将保温材料与保护层材料复合，其节能效果的实现，本质上还是原有保温材料对热量的时间衰减效应。因此，从节能效果上看与原有板材系统并无差异。如何提高板材的节能效果是目前保温装饰一体化板材制备过程中需要考虑的问题。目前，主要的研究思路是一方面通过优化保温材料的本体性能提高板材的节能效果(图4)[10,11]；另一方面，通过设计不同的功能结构，实现板材的高效节能(图5)[12]。

板材使用过程的节能效益与板材-墙体系统的构造密切相关。目前的板材-墙体构造大体上可包括两种：一种是无空腔结构的板材-墙体构造，这种构造主要采用粘贴方式施工，板材与墙体紧密接触；另一种是有空腔的板材-墙体构造，这种构造通常采用锚固方式施工，在板材与墙体之间留有一定厚度的空气层。从节能角度出发，后者如对空气层厚度进行优化，降低热对流效应，应可提高系统的节能效果，但目前对此方面的研究较少。进一步的，有空腔结构由于上下存在空气压力差，也可通过空气对流带走热量，实现夏季的节能，对这方面的研究，是未来可以考虑开展的工作。

最后，由于板材在安装时龙骨、锚固点传热和大量的施工缝，在处理不当时容易形成热桥，而板材与门窗系统的结合部位、女儿墙等节点构造均对节能具有显著的影响。因此，对龙骨、锚固点和施工缝的处理是板材施工时应注意加强的方向。

2.2　板材及系统的安全性

与薄抹灰技术相比，保温装饰一体化板材同样存在安全性问题，主要体现在界面力学性能和防火安全性方面。由于一体化板材与保温材料进行了预先复合，保护层对保温材料与外界环境具有隔离作用，因此与薄抹灰系统相比，其防火性能较好。其主要问题在界面上。

从材料制备技术上看，在保温材料和保护层材料间存在明显的界面，如何解决存在的界面问题是影响板材性能的难点。而与此同时，薄弱的界面由于保温材料自身变形、保温材料与其他材料不一致变形引起的保温装饰板体积变形容易导致保温装饰板脱落。

从施工方式上看，由于板材与墙体间的安装主要以粘结或锚固为主，因此，选择何种施工方式进行施工是板材应用中必须考虑的问题。由于单一的锚固方法所造成的空腔结构弱化了板材系统的抗风压能力，而直接采用粘结的方法又会影响保温层的透气性，进而影响系统的节能效果和使用寿命，因此必须采用新的施工方案和构造措施。

2.3　板材及系统的装饰性

金属饰面-聚氨酯板是目前广泛应用的板材，在实际施工时由于拐角处二次加工或施工机具碰撞(图6)，易造成饰面金属材料发生破坏。目前的解决办法是一方面在保证经济性的前提下尽可能提高金属板的厚度以增加板材的刚性和硬度，另一方面，开发专用的切割机具和施工机具，以减少折边损耗和碰撞缺陷，提高施工质量。

同时，经验表明，即使是极其微小的尺寸偏差也会导致板材最终装饰性的差异。目前一体化板材的施工仍然是人工手动控制，因此，此类偏差极难避免，未来开发自动化程度较高的高精度施工方式仍是本领域发展的重要方向。

因此，为解决目前保温装饰一体化系统所存在的各种技术问题，需要研究相应的材料、制备工艺、施工工艺及相关设备，为该系统的规模化应用提供技术支撑。

3结语

能源是人类生存和发展的物质基础，建筑节能是构建国家可持续发展战略的重要举措；建筑产业化是减少建筑污染、提高建筑质量的有效途径。节能装饰一体化材料是在建筑产业化背景下发展新型节能材料的主要方向之一。

国外开展了大量保温材料的研究和建筑产业化的研究，也有少量的将保温材料与装饰材料作为一体化构件的案例，但由于国外建设规模小，该结构和建造方式是否符合我国材料和建筑发展方向目前并不明确。

国内已有大量的企业从事节能装饰一体化板材的生产和应用技术研究，也制订了相关的产品标准和施工规范，但仍然存在一定的问题，主要包括材料的精度问题、施工质量问题等。

因此，未来必须加快研究节能装饰一体化板材的应用技术，包括与不同结构的匹配方式，节能性、安全性与装饰性的统一，相关研究工作将促进我国新建建筑和既有建筑的节能改造的应用技术发展。

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