超低能耗建筑的真空绝热板复合高性能有机保温板系统构造设计研究

王伟龙，陈兴涛，左长安，3，马振伟

（1.中国中建设计研究院有限公司，北京 100044；2.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南 250101；3.山东大学土建与水利学院，山东济南 250100）

0 引 言

随着“双碳”目标的提出，使得建筑领域的低碳转型迫在眉睫。在建筑领域，建筑墙体的保温节能工程是极其重要的一部分，对积极推进我国城乡建设领域实现“双碳”目标具有重要意义。在未来一段时期内，城乡建设领域将会全面提升建筑能效水平，进一步提高建筑节能设计标准，使建筑向着被动式超低能耗建筑等方向发展。被动式超低能耗建筑对外围护结构传热系数的要求为≤0.15 W/（m2·K）[1]，远高于我国普通建筑的节能要求，而建筑外围护结构中的外墙部位是被动式超低能耗建筑中传热损失最高的部位，需要对建筑外墙采取一系列隔热保温措施，有效降低墙体能耗。但是，在提升外墙保温性能的同时也带来了如防火安全、墙体过厚等一系列问题。因此，在传统外墙保温系统构造的基础上，设计出了适用于被动式超低能耗建筑外墙保温系统的新型构造方式。

1 发展背景

随着节能设计标准的提高以及被动式超低能耗建筑的推广应用，使得建筑外墙的节能保温构造形式面临新的挑战。首先，当外围护结构传热系数达到被动式超低能耗建筑的技术要求时，传统有机保温材料厚度几乎要增加1 倍，保温材料厚度的增加使得建筑外墙外保温系统中单位面积内的可燃物比例和可燃物总量成倍增加，增大了火灾时的危险指数，进一步加剧了建筑外墙保温与防火安全之间的矛盾。其次，保温材料厚度的增加使得建筑外墙外保温系统抵抗自身荷载的能力减弱，且系统中所用锚固件的锚栓长度相应的增加，抗拉承载力、抗冲击性能、抗剪能力等方面性能都会大幅度降低，导致外墙保温系统存在很大的安全隐患[2]。再者，通过对被动式超低能耗建筑不同系统中保温板厚度的对比分析可知（见表1），只有采用导热系数低的外围护结构保温材料，才能在满足被动式超低能耗建筑高节能率要求的同时，最大限度地降低建筑保温层的厚度[3]。此外，过厚的保温材料，不仅会影响整个保温系统外墙的安全，而且会随着GB 55031—2022《民用建筑通用规范》的实施而增加公摊面积，影响得房率[4]。

表1 被动式超低能耗建筑不同系统中保温板厚度对比

超低能耗建筑外墙保温系统在过去大多采用薄抹灰外墙外保温系统，随着外墙保温系统的安全耐久、防火、防水等问题的提出，内置保温现浇混凝土复合墙体系统等外墙保温构造也陆续在超低能耗建筑外墙保温系统中得到应用[5]。本文以薄抹灰外墙外保温系统和内置保温现浇混凝土复合墙体系统中不同保温板在被动式超低能耗建筑中的应用厚度进行分析研究，以此为新的构造系统提供参考依据。

从表1 可以看出，目前能够较好解决保温层厚度问题，同时还能满足被动式超低能耗建筑对围护结构外墙保温系统严苛要求的保温材料，应首选STP 真空绝热板（以下简称STP板）。STP 板是一种A 级不燃材料，具有导热系数小、保温性好、厚度薄等优异性能。

由于STP 板是一种通过抽真空形成具有气密性的超薄保温板，要保证其内部真空度不被破坏，STP 板不可进行切割、钻孔，只能进行板边锚固，所以，STP 板仅能应用于薄抹灰外墙外保温系统中。板边锚固使得STP 板板缝间存在较大的热桥问题，造成STP 板在单独作为保温层使用时存在一定的局限性。此外，STP 板的价格也远高于传统的高性能有机保温板。

因此，在单层STP 板薄抹灰外墙外保温系统的基础上，结合内置保温现浇混凝土复合墙体系统的构造原理，按照相关建筑外墙保温防火理论的要求，设计出了STP 板+高性能有机保温板双层粘结构造的方式，来实现被动式超低能耗建筑在保温节能、防火安全、经济适用等方面的要求。

2 系统构造

STP 板+高性能有机保温板双层粘结构造防火保温系统（以下简称STP 板双层保温系统）由饰面层（20 mm 厚混合砂浆）、基层墙体（200 mm 厚混凝土墙体）、内侧粘结层（10 mm厚粘结砂浆）、B 级保温层（高性能有机保温板）、中间粘结层（5 mm 厚粘结砂浆）、A 级保温层（30 mm 厚STP 板）、防护层（10 mm 厚保温浆料）、抹面层（5 mm 厚抹面胶浆复合玻纤网）、饰面层（涂料、饰面砂浆或柔性面砖等）、防火构造（防火分仓单元）、锚固件（断热桥锚栓）等构成，如图1 所示。

图1 STP 板双层保温系统基本构造

由图1 可见，靠近基层墙体的B 级保温层为STP 板提供了具有缓冲作用的柔性构造层，STP 板外侧的防护层、抹面层及饰面层共同构成STP 板的保护层。该系统中B 级保温层外侧的构造层次共同构成50 mm 不燃性结构防护层，满足GB 55037—2022《建筑防火通用规范》中6.6.2 条对B1 级或B2级保温材料两侧不燃性结构厚度均不应小于50 mm 的规定。相较于传统的薄抹灰外墙外保温系统，STP 板双层保温系统的构造形式不需要每层设置高度不低于300 mm 的A 级防火隔离带和耐火完整性不小于0.50 h 的门窗[6]。

STP 板双层保温系统中不同保温板厚度对比见表2。

表2 STP 板双层保温系统中不同保温板厚度对比

从表1、表2 中保温板的厚度对比可知，相较于传统的外墙保温构造形式，STP 板双层保温系统的构造形式可大幅度降低外墙保温构造系统中保温板的厚度，进而提高墙体的安全性能，减少公摊面积。所以，STP 板双层保温系统的构造形式是对传统外墙保温构造形式的一种创新，不仅能够满足GB 55037—2022 中对保温材料的防火要求，还能够充分发挥各种材料的性能特征。

3 技术措施

为了实现STP 板双层保温系统在被动式超低能耗建筑应用中的最优性能。根据被动式超低能耗建筑所处地理位置、气候区和外围护结构形式，结合不同性能的外围护结构保温材料，从提高系统的防火性能和减少系统的热桥损失2 方面来保障系统的效能最大化。

3.1 提高系统的防火性能

由于被动式超低能耗建筑中高性能有机保温板的厚度较厚，为了进一步提高系统的防火安全系数，系统以薄抹灰外墙外保温系统中每层设置水平防火隔离带为理论基础，从控制火灾发生和阻断火焰蔓延2 方面对B 级保温层进行了防火构造设计。通过在B 级保温层中增设由横向防火隔离条（A级不燃材料）与竖向防火隔离条（A 级不燃材料）正交交叉形成的网格状防火分隔单元，B 级保温层内不连贯、独立的防火分隔单元与外侧A 级保温层、防护层、抹面层、饰面层一同形成B 级保温层的无空腔防火分仓单元，对内侧B 级保温层进行了有效的分隔，如图2 所示。

图2 保温防火系统中独立防火分仓单元构造

构成防火分仓单元的不燃材料在受到外部火焰的强热辐射下，其内部材料吸热并发生热熔收缩，形成由无机胶凝材料支撑的闭合孔洞，对内部B 级保温材料起到隔热作用，隔绝了B 级保温材料与氧气的接触[1]，同时独立防火分仓单元又能够将火势限定在特定的区域内，进一步限制保温板燃烧释放的热量，使整个外墙保温体系具有良好的防火稳定性，起到了防止火灾发生和阻断火焰沿外墙面蔓延的双重效果，达到了提高外墙保温系统防火性能的目的。

3.2 减少系统的热桥损失

建筑的热桥会造成外围护结构热负荷或冷负荷，并使建筑外围护结构内表面冷凝发霉现象的概率增加，被动式超低能耗建筑要求热桥限值为线热桥≤0.01 W（m·K），因此，被动式超低能耗建筑的无热桥设计对于实现超低能耗甚至近零能耗具有重要意义[7]。

研究表明[8]，保温层不连续导致的线热桥经过修正，损失可降低80%左右；穿墙管道等节点的点热桥经过修正，损失可降低92%左右。因此被动式超低能耗建筑外围护结构须尽可能地保证保温层连续不间断；避免因保温层被穿透而形成结构性热桥，增加能耗。

在STP 板双层保温系统中，为最大化减少STP 板板缝间热桥的影响，STP 板与高性能有机保温板采用双层错缝交叉粘贴的方式（见图3），在保证防火效果的前提下避免2 层保温材料间出现通缝，最大限度地减少系统热桥。

图3 STP 板保温系统双层错缝粘结优化设计

此外，降低热桥损失不仅要通过采用双层错缝交叉粘贴的方式，还需要采用具有阻断热桥功能的构造设计、构造拉结及洞口封堵等加强措施，避免被动式超低能耗建筑出现系统性热桥现象。在构造设计方面，如建筑阳台板与主体结构设计时应断开，可以有效降低外围护结构产生热桥情况，且阳台板需利用保温材料全部包裹提升保温性能；在构造拉结方面，如选取断热桥锚栓等连接配件，可有效避免被动式超低能耗建筑出现系统性热桥；在洞口封堵方面，如管道穿过外围护结构时，需预设置套管，且管道周围需选取合适保温材料密实封闭。此外，被动式超低能耗建筑还必须通过精细化施工、精细化安装才能达到降低热桥损失的目的。

4 结 语

通过对传统外墙保温系统形式在超低能耗建筑中的分析研究，结合相关的建筑外墙保温防火理论及规范，设计出的STP 板双层保温系统的构造形式，是对传统外墙保温系统构造设计的一次创新。系统达到了既能够满足被动式超低能耗建筑的节能要求，又能够满足系统在保温防火方面的安全需求，还能够充分发挥各种材料性能特征的目的。