建筑外墙自保温体系应用分析

王海军,刘　琳,巴特尔

(1.内蒙古建筑职业技术学院装饰与艺术设计学院,呼和浩特　010070;2.华中科技大学建筑设计院，武汉　430074;3.内蒙古建筑科学研究所有限责任公司,呼和浩特　010050)



建筑外墙自保温体系应用分析

王海军1,刘琳2,巴特尔3

(1.内蒙古建筑职业技术学院装饰与艺术设计学院,呼和浩特010070;2.华中科技大学建筑设计院，武汉430074;3.内蒙古建筑科学研究所有限责任公司,呼和浩特010050)

随着国家的建筑节能的要求不断提高，建筑围护结构的节能技术得到了广泛的重视和快速的发展。本文通过对比分析建筑外墙的内保温、外保温、混合保温、自保温以及一体化保温体系的优缺点及经济耐久性，显示外墙自保温体系具有明显的经济和技术优势，对外墙自保温体系的适用性、材料以及经济型进行了分析，提出了自保温墙体系的建筑结构形式，并对应用中存在的主要技术问题提出了相应的解决方法。

建筑外墙； 自保温； 墙体材料； 建筑节能

1　引　言

作为世界上第一大主要能源消耗国，建筑能源消耗的比例逐年攀升，目前已经占到人类总能源消耗的40%左右，我国的建筑能源消耗在世界建筑能源消耗中所占的比例逐年扩大[1]，这些年，高能耗住宅总量已经达到400亿平方米，而且每年还保持着20亿立方米的建造增速，增量达到了世界其他国家新增量的总和，由于国内对建筑节能方面并未给予足够的重视，导致我国在建筑施工以及后续的建筑使用过程中都消耗了大量能源[2]。当今世界经济飞速发展，能源环境问题越来越引起人们的关注，各种节能设备和材料不断涌现出来，由于建筑围护结构的传热能耗站到建筑总能耗的80%，因此建筑围护结构的热力学性能对建筑的能源消耗影响巨大，良好的保温隔热性能，可以使建筑内部达到一个稳定的热环境，增加室内舒适度。

基于以上原因，建筑围护结构的节能技术得到了广泛的重视，由于外墙在建筑围护结构中所占的面积最大，因此建筑外墙节能技术所受的关注也更多，其市场前景也更加广阔[3]。

2　外墙保温体系分类

当前我国建筑市场的外墙保温体系主要分以下几类：外墙外保温、外墙内保温，外墙混合保温、外墙自保温以及外墙保温装饰一体化[4-6]。下面分别对几种外墙保温体系进行介绍，分析各体系的优缺点及经济耐久性。

2.1外墙内保温体系

外墙内保温体系是一种传统的保温方式，很早就在工程中得到了应用，这种保温体系的原理是在外墙内侧采用保温材料进行节能保温。如图1所示,常用的内保温材料有膨胀珍珠岩板、水泥聚苯板、加气混凝土块等。

这种保温体系的优点在于施工便捷、技术性能要求相对较低、造价低廉、升温(降温)速度快。虽然有上述优点，但这种保温体系的缺点在于建筑外墙内保温保护的位置仅仅在建筑的内墙及梁内侧，内墙及板对应的外墙部分得不到保温材料的保护，导致墙体出现冷桥现象，局部产生结露，造成保温隔热墙面发霉、开裂。另外墙体内保温材料会造成室内面积的减小，降低了建筑的使用率。

图1　外墙内保温Fig.1　Within the external wall insulation

图2　外墙外保温Fig.2　External-wall exterior insulation

2.2外墙外保温体系

外墙外保温顾名思义是一种把保温层放置在主体墙材外面的保温做法，如图2所示，常见的外保温材料有：XPS挤塑板、EPS聚苯板、硬泡聚氨酯、发泡水泥岩棉等。

这种保温体系最大的优势在于不影响室内环境，可以保护建筑主体结构，同时可以减轻冷桥的影响，保护主体结构不受温度应力变形影响，是目前应用最广泛的保温做法。

外墙外保温体系最显著的缺点是易开裂、易脱落、耐久性差、保温性能不够、通透性差和施工操作控制方法不确定、控制措施不到位等，同时外保温材料的造价较高，后期维护成本可观，另外外墙保温体系使用的有机保温材料存在安全隐患，并且寿命远远低于建筑寿命。

2.3内外混合保温体系

所谓内外混合保温体系是指在施工中将外保温施工与内保温施工两种保温模式相结合的体系结构。

其优势主要体现在施工速度，对外墙内保温不能保护到的内墙板同外墙交接处的冷桥部分进行有效的保护，从而使建筑节能保温的效果好。

这种保温体系的缺陷在于对建筑结构的损害程度较高，局部外保温、局部内保温混合的保温方式，使整个建筑物外墙主体的不同部位产生不同的形变速度和形变尺寸，建筑结构处于更加不稳定的环境中，结构形变的不均匀使其产生裂缝，从而缩短整个建筑的寿命。这种保温体系的维护和使用成本相比单一的外保温和内保温体系都要高，经济性较差。

2.4外墙保温装饰一体化体系

作为现代建筑产业的重要发展方向之一，装配式建筑及其施工技术发展迅速，在外墙保温技术方面，外墙保温装饰一体化技术已经实现产业化，所谓的外墙保温装饰一体化是指将外墙保温和外墙装饰两个分项工程合二为一，直接安装到建筑为外墙上，一次简单的施工完成保温和装饰两个分项工程。外墙保温装饰一体化是由粘结层、保温装饰铝合金板、锚固件、密封材料等组成，如图3所示，保温装饰一体化不仅适用于新建筑的外墙保温与装饰，也适用于旧建筑的节能和装饰改造。

保温装饰一体化体系优势在于多功能一体化，一次施工即可解决保温装饰两项功能要求，综合成本低，节省了大量的人力物力，另外装饰层面多样化，饰面层的强度高，节能效果好。

虽然保温装饰一体化体系具有以上优势，但是缺陷也比较明显，在结构设计方面，面板与保温板的黏结需要一种特殊的胶黏剂，黏结强度必须达到规定性能要求，同时面板材料的生产过程要求高，施工安装过程复杂，整条设备体系的投资成本高。

图3　外墙保温装饰一体化Fig.3　Integration of external-wall exterior insulation decoration

2.5外墙自保温体系

外墙自保温体系是指墙体自身的材料具有节能阻热的功能，通过选择合适的保温材料和墙体厚度的调整即可达到节能保温的目的，常见的自保温材料有：蒸汽加压混凝土、页岩烧结空心砌块、陶粒自保温砌块、泡沫混凝土砌块、轻型钢丝网架聚苯板等。

外墙自保温体系的优点是将围护结构和保温隔热功能结合，无需附加其他保温隔热材料，能满足建筑的节能标准，同时外墙自保温体系的构造简单、技术成熟、省工省料，与外墙其他保温系统相比，无论从价格还是技术复杂程度上都有明显的优势，建筑全寿命周期内的维护成本费用更低。

虽然外墙自保温体系具有许多优势，但就像其它的新兴技术一样，在其广泛应用之前都会存在一些细节问题，诸如自保温体系的设计标准、施工规程以及新型的自保温材料的开发和性能改进。

3　自保温体系的适用性、材料以及经济型

3.1自保温体系的适用性

传统的建筑保温体系主要通过改变建筑围护结构的保温层厚度和墙体的厚度来达到建筑节能保温的目的，随着社会经济水平和城市规模的不断发展，建筑节能的标准越来越高，相比传统的建筑内保温和外保温体系，墙体自保温体系可以通过选择合适的墙体材料来提高建筑的节能保温效果，更容易满足现行的建筑节能标准。

虽然目前市面上有很多性能优异的节能隔热墙体材料，但并不是所有的节能隔热墙体材料都能成为自保温材料，另外我国各地区之间的气候差异巨大，不同的气候对建筑的影响很大，因此需要根据不同的气候条件选择自保温材料，依据节能标准要求，设计自保温建筑的墙体构造[7]。

建筑物能否使用自保温体系，取决于其建筑物的具体结构形式，当建筑外墙能采用较大的砌块填充面积并且混凝土的结构部位较少时，建筑物就可以选用自保温体系。因此，可以采用自保温体系的建筑结构包括框架、框筒及框架剪力墙结构，这些建筑结构的外墙都有较大的砌块填充面积，并且混凝土的结构部位较少，因此非常适合采用外墙自保温体系。

3.2常用的自保温材料

目前国内各地区的建筑市场中常用的外墙自保温材料主要有以下几种[8]：

(1)蒸汽加压混凝土砌块

蒸汽加压混凝土砌块是用钙质材料(如水泥、石灰)和硅质材料(如砂子、粉煤灰、矿渣)的配料中加入铝粉作加气剂，经加水搅拌、浇注成型、发气膨胀、预养切割，再经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐砌块,如图4所示。

发气剂又称加气剂，是制造加气混凝土的关键材料。发气剂大多选用脱脂铝粉。掺入浆料中的铝粉，在碱性条件下产生化学反应：铝粉极细，产生的氢气形成许多小气泡，保留在很快凝固的混凝土中。这些大量的均匀分布的小气泡，使加气混凝土砌块具有许多优良特性。

蒸压加气混凝土砌块作为一种性能优越的节能环保材料具有保温隔热功能佳、强度可靠、施工效率高、生产能耗低、墙体管线埋设牢固可靠、原材料来源广泛等优点，尤其是作为自保温外墙能够满足寒冷地区65%节能要求因此在各种建筑工程中得到广泛的应用。

图4　蒸压加气混凝土砌块Fig.4　Autoclaved aerated concrete blocks

图5　页岩烧结空心砌块Fig.5　Shale sintered hollow block

(2)页岩烧结空心砌块

页岩烧结空心砌块是经真空、高压挤塑成型后经1000 ℃以上高温烧结而成，如图5所示，材料具有收缩率小，抗压强度高，成品几何尺寸规则且重量轻等较好的物理和工艺性能，采用砌筑后的墙体再进行抹灰时极少发生龟裂，因而既能用作单一墙体砌筑也可与聚苯乙烯泡沫塑料板形成复合墙体。

(3)陶粒自保温砌块

陶粒自保温砌块是一种新型轻质自保温节能砌块，规格品种多样，具有优良的技术性能和热工性能，可以满足各种建筑节能设计要求。陶粒自保温夹芯主砌块规格与陶粒自保温空心砌块相同，只是为了进一步降低其传热系数，在陶粒自保温空心砌块中填上轻质保温材料。如图6所示，根据设计墙体对传热系数的不同要求，可以采取填充其中一排或二排孔，也可以把所有的孔都填满。另外，陶粒自保温墙体坚固耐用，施工方法简单，而且造价比各种外墙外保温体系低很多。

图6　陶粒自保温砌块

图7　泡沫混凝土砌块Fig.7　Foamed concrete block

(4)泡沫混凝土砌块

泡沫混凝土是使用专用发泡剂与水按一定比例混合，经机械搅拌或与空气强制混合后，产生大量气泡。再与水泥浆等物料进行混合，形成一种保温性能好，强度高的低密度材料。如图7所示，泡沫混凝土在制作中可掺入大量的固体材料，如粉煤灰、炉渣、聚苯颗粒等材料，从而改善其自身的物理性能。与加气混凝土相比，发泡水泥之所以有如此优良的性能，取决了他与加气混凝土的发泡机理不同。加气混凝土的气泡不规则，大小不均，离散。而发泡水泥的气泡周围均挂满了水泥浆，形成了一层光滑的水泥浆壁，从而光滑、独立、均匀、密集的气泡群结合在一起，构成了具有一定特性的发泡水泥。若用发泡水泥砌块作为外墙砌体材料，其导热系数按0.1W/(m·K)计，在厚度不足300mm的情况下，用于寒冷地区，作为墙体自保温体系，是完全可以达到节能65%标准的。

3.3自保温体系的经济性分析

目前国内外学者对建筑节能方案的经济性评价通常采用生命成本周期理论，简称LCCA，本文用LCCA方法评价分析墙外自保温体系，从建筑全生命周期角度来评估该体系的经济效果，也即建造成本及能源消耗总费用。重庆大学的王厚华等率先提出了适合我国国情的自保温体系生命周期成本分析的数学模型，该模型利用采暖及空调度日数来计算建筑的冷热负荷[9]。为了简化计算，本文的LCCA方法仅考虑建筑建造及后期维护成本。

以采用页岩烧结空心砌块的某建筑外墙保温体系为例，相比未采取保温措施的普通外墙，自保温体系的初期建造成本有所增加，空心砌块的建造费用增加了约48.1%，整个建筑的混凝土体系建造费用增加了35.7%，在后期建筑维护过程中，建筑外墙的自保温体系可节省空调费用124.63元/m2，将上述参数代入到LCCA方法中，计算得到外墙自保温体系每平方米可节省95.12元/m2，建筑全生命周期的综合经济效益显著。

4　自保温体系技术处理

4.1自保温体系构造形式

墙体自保温体系参考厚外墙框架结构的厚度，可分为两种基本构造：第一种是单一的200mm的自保温墙体材料外加专用的墙体砌筑砂浆，第二种是厚度大于200mm的墙头材料外加专用的墙体砌筑砂浆，在建筑结构中易产生热桥的地方粘贴节能型材料做建筑保温层，另外在配套表面涂抹砂浆。

不管采用哪种类型的结构形式，外墙自保温体系必须要选择合适的保温隔热材料、饰面层材料以及稳定的连接节点，同时混凝土的结构部位必须进行特殊处理，另外建筑热桥部位所选取的保温材料必须保证外墙饰面层不出现开裂空鼓等现象

4.2存在的主要技术问题及解决方法

墙外自保温体系的墙体构造需要结合不同地区的气候条件进行设计，墙体的厚度也略有不同，自保温体系的推广需要考虑以下几个关键技术问题：

(1)热桥处理

热桥对建筑围护结构的热功能耗存在一定的影响，在外界环境气温较低时，容易产生结露现象，同时由于外墙自保温体系中的热桥部位相对其他保温体系要多，热桥部位需要采用合适的措施进行处理。对保温层厚度大于或等于50mm的热桥部位，可以采用保温砌块砌筑。外墙填充墻保温可选择用外露(见图8a)、半包(见图8b)或全包(见图8c)的方式解决。厚度小于或等于50mm的热桥部位，可以选择外露柱构造处理，采用无机保温砂浆，要满挂网，再使用锚栓进行固定；厚度为50～100mm的热桥部位，可选择半包柱构造进行处理，使用空心辅助砌块，适宜满挂网；厚度大于100mm的热桥部位，可选择全包柱构造进行处理，使用空心砌块进行砌筑;当采用无机保温砂浆做保温材料时，其构造也要满足相关规定。

图8　(a)外露柱;(b)半包柱;(c)全包柱Fig.8　(a)open pillar;(b)surrounded by half a pillar;(c)all surrounded pillar

保温层的厚度不同的热桥部位，采用的处理措施也不同，通常的处理措施有外露柱，半包柱和全包柱[10]，如图8所示，不同保温层厚度的热桥部位处理方法如表1所示。

表1　不同保温层厚度的热桥部位处理方法

(2)配套材料

外墙自保温系统的配套材料一般包含专用砌筑砂浆，连接件等，其中砌筑砂浆的热导电率对热桥的形成和自保温墙体的保温隔热性能有重要影响，砌筑砂浆的热导电率越高，形成的热桥数量越多，对于自保温体系，必须使用低热导率的砌筑砂浆，另外砌筑的分层度、体积密度以及蓄热系数都要符合相关规定，这些参数都要跟墙体材料的相关参数对应，才能实现断桥隔热的作用，防止外墙开裂。

(3)节点处理

外墙自保温体系的墙体材料有非承重和承重两种类型，不论是那种类型，外墙部位都存在与其他构件的联结，不同构件的材料力学性能、厚度和表面状况都不同，受力后的变形情况也存在差别，很难保证连接部位的表面平整度。以KNG砌块构造为例进行的构造节点处理，KNG砌块是以水泥、粉煤灰为胶结料，炉渣、浮石、煤矸石、工业废渣、陶粒为原料的制作而成的砌块。用于外墙保温砌块时，在孔洞中加入保温材料，内隔墙为空心砌块，均为通孔。KNG砌块主要性能试验指标如表2所示。

表2　KNG砌块主要性能试验指标

(4)外饰面层

对于外墙自保温体系的外墙饰面层，需要根据不同的外饰面层考虑不同的设计要求，假如外饰面层采用薄抹灰体系，这种情况下就必须考虑外墙砌筑时的平整度，工艺施工的难度有所提高，如果选用砂浆进行粉刷时，必须考虑粉刷层的后期开裂问题，同时还要考虑分格缝的几何尺寸以及密封材料的嵌缝处理等设计。

4　结　语

外墙自保温体系的高性价比会使得外墙自保温体系的应用越来越广泛，它符合我国的建筑节能的国情，促进建筑节能事业的发展，在使用过程中也会有新的问题会出现，我们应根据各气候区的特点以及节能要求，结合当地的资源特点，探索适合不同地区的外墙自保温体系。

[1] 张焓韬.外墙保温技术与建筑节能材料的应用[J].现代装饰(理论),2014,(04):13-18．

[2] 席宇鹏,任红侠.外墙保温技术的应用与发展[J].建筑技术,2011,(10):21-25．

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[4] 赵书杰.XPS挤塑板薄抹灰外墙外保温系统工程质量控制的措施[J].城市开发,2009,(22):81-86．

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[7] 杨秀,张声远,齐晔,等.建筑节能设计标准与节能量估算[J].城市发展研究,2011,(10):12-17．

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[10] 刘学来,李永安,李常河.住宅建筑构造柱热桥采暖能耗的分析[J].低温建筑技术,2011,(05):46-51．

AnalysisoftheSelf-insulationSystemforExteriorWalls

WANG Hai-jun1,LIU Lin2,BA Te-er3

(1.CollegeofDecorativeandArtandDesign,InnerMongoliaTechnicalCollegeofContruction,Hohhot010070,China;2.CollegeofArchitecturalDesign,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;3.InnerMongoliaInstituteofBuildingScienceCo.Ltd.，Huhhot010050,China)

Withtheincreaseoftherequirementsofthenationalbuildingenergyefficiency,theenergy-savingtechnologyhasbeenwideattentionandrapiddevelopment.Throughcomparativeanalysisofthedurabilityandeconomicadvantagesanddisadvantagesofthebuilding'sexteriorinsulation,exteriorinsulation,hybridinsulation,self-insulationandintegratedthermalinsulationsystem,theexternalwallsofself-insulationsystemhavesignificanteconomicandtechnologicaladvantages.Thenthesuitability,materialsandeconomicoftheself-insulationsystemsareanalyzed,thebuildingstructureoftheself-insulationsystemisproposedandthemaintechnicalproblemsassociatedsolutionsisalsoprovided.

buildingexternalwall;self-insulation;wallmaterial;buildingenergy-saving

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY333)

王海军(1980-)，男，讲师，工程师，内蒙古建设标准化专家库专家.主要从事建筑节能技术、装饰工程方面的研究.

TE08

A

1001-1625(2016)01-0179-06