被動式超低能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)的階段性應用問題及技術嘗試

熊少波 高 嫻 / XIONG Shaobo, GAO Xian

圖1 水蒸汽滲透值與吸水系數的關系

圖2 外墻外保溫系統(tǒng)匹配性

被動式超低能耗建筑是通過提高建筑整體保溫隔熱性能來降低供暖和制冷能耗需求的新技術體系，以提高外圍護結構保溫性能、采用高效新風熱回收技術等為主要支撐。其中，安裝于建筑外墻外側的外墻外保溫系統(tǒng)（一般由粘結層、保溫層、機械保溫錨固件、抹面層、飾面層組成），是避免熱傳導熱損失的最關鍵環(huán)節(jié)，特別是通過與保溫門窗相結合，可有效阻斷室內外熱量傳遞，是達到超低能耗最關鍵的核心技術。

2008年，在住房和城鄉(xiāng)建設部（以下簡稱“住建部”）與德國交通、建設和城市發(fā)展部（Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung，BMVBS）、德國駐華大使館的支持下，住建部科技與產業(yè)化發(fā)展中心聯(lián)合德國能源署成立戰(zhàn)略性工作小組，合作開展“中國被動式低能耗建筑示范項目”，至今已有部分符合我國國情的被動房和低能耗建筑示范項目建成并投入使用，但由于產品質量良莠不齊、設計忽略建筑物理因素及施工工藝和工人專業(yè)度不夠等原因，仍存在外墻外保溫濕熱負荷設計不當引起服役期質量問題頻發(fā)、耐久性低、以保溫板替代外墻外保溫系統(tǒng)而忽略系統(tǒng)整體性、外保溫系統(tǒng)與現(xiàn)行設計規(guī)范及建造方式的擬合度低等階段性應用問題及瓶頸。本文重點分析這些典型問題的關鍵原因和技術難點，并以實際項目為例，針對性地提出適宜技術路線、設計方法和構造體系。

1 階段性應用問題

目前我國被動式超低能耗建筑的外墻外保溫系統(tǒng)技術，由于外保溫集成技術水平及防火政策的限制和影響，存在以下幾種應用問題。

1.1 外保溫系統(tǒng)的濕熱負荷和耐久性能有待提高

由于被動式超低能耗建筑的實際使用壽命較長，其外墻外保溫系統(tǒng)需在周期性熱濕和熱冷環(huán)境條件下正常工作。目前，國內很多常見的外保溫系統(tǒng)并不適合在被動式超低能耗建筑上使用。例如，（1）發(fā)泡水泥板和發(fā)泡陶瓷板外保溫系統(tǒng)導熱系數高使得厚度增加、自重大、存在安全隱患，材料脆性大且無法錨固；（2）擠塑板（Extruded Polystyrene，XPS）外保溫系統(tǒng)彈性模量大、容易變形、吸水率低導致其與粘結劑及抹面膠漿的粘結力低、尺寸穩(wěn)定性差導致厚度受到限制；（3）現(xiàn)澆混凝土復合聚苯板鋼絲網架板外保溫系統(tǒng)無法徹底消除熱橋；（4）膠粉聚苯顆粒保溫漿料或無機保溫砂漿外保溫系統(tǒng)導熱系數高且最大厚度不得超過40mm；（5）真空絕熱板外保溫系統(tǒng)真空度的長期穩(wěn)定性低，且真空度下降會導致外墻膨脹、無法徹底消除板縫熱橋、無法機械錨固及現(xiàn)場切割。這也再次驗證了何以外墻外保溫技術經過50多年發(fā)展和創(chuàng)新后，膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)仍然幾乎占據了歐洲所有的被動式低能耗建筑外保溫應用市場。

盡管我國的五大熱工設計氣候分區(qū)與歐洲有所差別，但溫度變化引起熱脹冷縮，濕度變化引起濕脹干縮，基于建筑物理的建筑溫度和濕氣變化同樣會影響整個外保溫系統(tǒng)服役壽命周期。

其中，水蒸汽滲透值與吸水系數之間的平衡關系，是影響外保溫系統(tǒng)濕熱負荷的關鍵因素之一（圖1）。水蒸汽的滲透動力來源于維護結構內部和外界的濕度差。由于建筑物內外的溫、濕度不同，使得建筑維護結構兩側的水蒸汽壓力不同，最終會達到平衡。水蒸汽總是從壓力較高的一側向壓力較低的一側遷移，通俗地說，也就是從熱的一側向冷的一側遷移，這個過程稱為水蒸汽的滲透，也稱之為透氣性，其實是水蒸汽的擴散能力。為更準確地描述外墻外保溫系統(tǒng)內部不同厚度組成層的水蒸汽透氣性，將材料的水蒸汽滲透阻力μ與該材料層的厚度d的乘積稱為該材料水蒸汽滲透值（SD，單位：m）。飾面層與加固層共同組成外墻外保溫系統(tǒng)的防水層，需同時滿足透氣性與防水性的要求，要求等效水蒸汽滲透阻力不超過2m，且在500Pa的水壓下保持2h內保溫系統(tǒng)背面無透水現(xiàn)象。材料的水密性過高或者透氣性過高均不適合作為外墻外保溫系統(tǒng)的飾面層，而高質量、匹配性好的外墻外保溫系統(tǒng)必須找到“水密性－吸水性－透氣性”三者的平衡點，相互平衡、相互匹配。即水密性和透氣性這一對矛盾是通過吸水率來平衡的。外墻外保溫系統(tǒng)標準中對飾面層和加固層共同組成的防水層的性能指標進行了限制，要求其24h吸水率不超過0.50kg/m2。

1.2 外保溫系統(tǒng)的整體作用有待提高

外墻外保溫系統(tǒng)是統(tǒng)一的有機整體技術解決方案，而不是一種可以通過購買外保溫系統(tǒng)中各部件自行安裝的工業(yè)產品（圖2）。現(xiàn)有被動式超低能耗建筑的外保溫結構，基本上沒有選擇具有長期外墻外保溫系統(tǒng)研發(fā)和工程經驗的系統(tǒng)供應商，部分項目僅選擇某一個部品件供應商或施工隊伍自行組裝。外墻外保溫系統(tǒng)各關鍵組分的缺失或組分不匹配，將導致被動式超低能耗建筑需要長期維修且運行成本增加。例如，外墻外保溫系統(tǒng)缺少系統(tǒng)配件（如預壓密封帶、門窗連接線條和滴水線條等成品配件），將導致外保溫系統(tǒng)與門窗、穿墻管道及構件部位存在滲漏隱患，長期被水侵蝕會使保溫材料嚴重失效，室內制冷或制熱能耗長期偏高且超溫頻率遠大于被動房的設計閾值，進而導致建筑長期面臨高額的運行成本；若外保溫系統(tǒng)不匹配將導致系統(tǒng)封閉，面層涂層無透氣性，系統(tǒng)中會因冷凝效應產生凝結水，內部水汽積聚在系統(tǒng)內部無法擴散出去，破壞系統(tǒng)并降低其保溫效果，進而導致飾面層氣泡、鼓包或水汽滲漏至建筑內部，使被動式超低能耗建筑面臨長期維修的問題，無耐久性可言。

圖3 被動式超低能耗建筑外保溫系統(tǒng)（黃色陰影部分）

1.3 外保溫系統(tǒng)與現(xiàn)行設計規(guī)范及建造方式的擬合度有待提高

首先，如何在滿足國內嚴格的建筑防火規(guī)范的同時選用可實現(xiàn)被動式超低能耗建筑保溫效果的外墻外保溫隔熱系統(tǒng)？一個完整的外墻外保溫系統(tǒng)應具有6大基本功能，即節(jié)能保溫、使用安全性、耐久性、火災情況下的安全性、衛(wèi)生健康和環(huán)境性能，其中防火和保溫是一對需要調和的矛盾。巖棉外墻外保溫系統(tǒng)燃燒等級為A級，但缺乏在被動式超低能耗建筑中超厚、超高系統(tǒng)大量應用的案例和科學數據，缺少在濕熱耦合環(huán)境下節(jié)能效果的長期性數據；石墨聚苯板外墻外保溫系統(tǒng)中石墨板的燃燒等級為B1級，但等效保溫效果比巖棉板高20%以上且無火災案例。

其次，如何采用最小化的熱橋構造并確保高層建筑的安全性？為滿足最小化熱橋構造，外立面粘貼單層或雙層構造，確保最小保溫厚度滿足外墻整體傳熱系數不超過0.15W/（m2·K），同時輔助斷熱橋錨固件以確保偶然負風壓荷載下的安全性，其單個錨固件熱橋不超過0.001W/（m2·K）。因此，經過階段性應用發(fā)現(xiàn)，外立面粘貼雙層保溫板并輔以沉入式錨固件進行機械固定的方式，是避免熱橋和滿足高層建筑安全性的有效途徑之一。

第三，裝配式建筑結構體系中的保溫和超低能耗建筑構造如何克服施工難點？裝配式建筑構造體系多采用“三明治”式夾心保溫形式，無法徹底避免梁、柱等部位的熱橋，隨著低能耗向超低能耗、近零能耗和產能建筑邁進，其夾心保溫層將逐漸增厚，給裝配式建筑結構體系帶來熱橋問題的同時，還會導致安全性和氣密性問題更加突出。

綜上，亟需尋求適合被動式低能耗裝配式建筑的保溫體系（圖3）。

2 適宜技術路線

被動式超低能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)在我國發(fā)展最大的難點是如何選擇適宜國情的技術路線。目前僅有部分試點項目，缺乏在我國五大氣候區(qū)域大體量應用技術和施工技術的經驗積累，工程實踐中面臨的許多技術問題難以借鑒和照搬歐洲現(xiàn)有的經驗和方法，需要中外專家聯(lián)合，探索出經濟適宜的解決方案。

2.1 建立整體性設計方法

被動式超低能耗建筑熱工計算和能耗計算非常重要，是被動房設計的基礎。其無熱橋和良好氣密性的特性使建筑的失熱得熱可以被準確地計算出來。近年被動式超低能耗建筑案例證明其計算結果與實際能耗情況非常吻合。被動式超低能耗建筑的熱工性能，應按現(xiàn)行國家標準《民用建筑熱工規(guī)范》（GB 50176－2016）進行內表面溫度、結露和隔熱等熱工性能計算；并根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB 59736－2012）規(guī)定的方法進行采暖負荷、采暖需求、制冷負荷、制冷需求、采暖一次能源需求、制冷一次能源需求以及總一次能源需求計算。計算結果可以幫助設計師正確選擇建筑構造，決定窗的性能與保溫材料的厚度，設備選型等等。計算結果是否準確依賴以下3個因素：一是計算方法正確；二是使用的數據正確，包括溫度、太陽、濕度和材料性能等40多個數據庫；三是使用工況參數設置正確。

因此，建立一套類似PHI（Passive House Institute，德國被動房研究所）提出的整體設計方法，對推動被動式超低能耗建筑在各氣候區(qū)的應用具有十分重要的意義。

2.2 提高關鍵產品的綜合性能

提高關鍵產品的綜合性能，是被動式超低能耗綠色建筑外墻外保溫系統(tǒng)適宜性解決方案的重要環(huán)節(jié)，如既符合無熱橋的設計和防火規(guī)定，同時滿足外保溫系統(tǒng)性能指標的石墨聚苯板；在整體系統(tǒng)中既滿足節(jié)能效果，又滿足長期耐久性的門窗連接線條、預壓密封帶、滴水線條、透氣膜/隔汽膜等附件。

石墨聚苯板的原材料即石墨/改性可發(fā)性聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS），由德國化工企業(yè)巴斯夫集團（BASF）最早發(fā)明，采用懸浮聚合法和擠出聚合法生產而成。石墨改性可發(fā)性聚苯乙烯由于添加了紅外吸收劑能更好地吸收、反射熱輻射，從而極大地提高材料的保溫隔熱性能，板的導熱系數在0.032～0.034W/（m·K）之間。在同樣的密度和厚度下, 石墨聚苯板比常規(guī)的EPS擁有更低的導熱系數（λ值）；同等密度條件下，達到與常規(guī)EPS同樣的λ值，其厚度可以降低20%左右。

門窗連接線條材料為塑料，防水防雨，附帶自粘性白色塑料粘結線條，自帶密封條（15×4mm）以及網格布（寬度25cm），防水強度600Pa，用于被動式超低能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)中門、窗連接部位，構建無裂紋的柔性防水連接。

預壓密封帶是一種預壓類自膨脹密封帶，由耐候PU軟泡沫類防水材料制成，適用于2mm以上縫隙，按所適合縫隙寬度進行分類，防水強度通常為300～600Pa。用于被動式超低能耗建筑中各類縫隙的構造防水。

滴水線條由高耐久性塑料線條生產而成，兩面帶有加強網布，用于被動式超低能耗建筑門窗洞口上邊沿、陽臺部位以及建筑物檐口，減少立面污水流入屋檐部位，使表面污水泛出立面，可有效減少墻面受水流污染的風險。

透氣膜/隔汽膜用于被動式超低能耗建筑門窗和墻體之間的接縫，具有延展性、防水及透氣性能，通過自粘膠帶和專用粘結劑實現(xiàn)有效粘結：一邊有效地粘結在窗框（或副框）上，另一邊通過兼容性極強的專用粘結劑粘結在墻體上，真正實現(xiàn)防水密封。

圖4 石墨聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)

圖5 巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)

圖6 “山水龍庭”27#住宅外景效果

2.3 提高施工及后期維護水平

根據近10年的被動房項目實踐可以看到，目前主流的外墻外保溫技術路線為石墨板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)（圖4）和巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)（圖5）。但外圍護結構最終的質量仍取決于3個因素：計劃與設計、產品、施工。其中，計劃與設計包含保溫熱工計算、無熱橋設計、細部節(jié)點設計、防火構造設計、氣密性設計等；產品包含各組成材料、經第三方認證的系統(tǒng)材料、高效的系統(tǒng)配件等；施工包含成熟的施工技術方案、經專業(yè)培訓的施工隊伍、有經驗的施工組織與管理等。

粗放式施工是建造被動房的大忌。在我國現(xiàn)階段國情下，被動房施工存在一個重要的客觀不利因素，即以農民工為主的施工工人承擔了對被動房性能影響較大的安裝工程，而這些工人又處于高流動狀態(tài)，如果施工管理不到位，某些工程質量就難以保證。

在工地檢查過程中發(fā)現(xiàn)的一些常見施工質量問題，包括：墻面水泥砂漿沒有抹到地面、保溫板鋪裝形成的縫隙較大、女兒墻與蓋板沒有釘牢固、外窗沒有做好施工保護、外墻外保溫系統(tǒng)中網格布外露，等等。

3 案例應用與關鍵技術分析

筆者所在的企業(yè)作為國內最早從事被動式超低能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)的系統(tǒng)集成商之一，主要提供被動式房屋用外墻外保溫系統(tǒng)、屋面保溫防水系統(tǒng)、透氣膜/隔汽膜、樓地面隔聲系統(tǒng)等，并參編了《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑》（16J908-8）等一系列被動式房屋保溫系統(tǒng)相關的標準與圖集。本文從已完成的被動式超低能耗建筑試點項目（覆蓋了北京、雄安、河北省、河南省、山東省、江蘇省、浙江省、湖南省等省市的住宅、商業(yè)、學校等不同形式和用途的建筑）外墻保溫系統(tǒng)的應用案例中，選取部分案例結合關鍵性技術進行分析。

3.1 日照“山水龍庭”27#住宅

作為山東省首個中德合作“被動式房屋”示范項目（圖6）和2014年住建部國際科技合作計劃項目，日照市的“山水龍庭”住宅項目被列入山東省超低能耗綠色建筑試點示范項目，獲得了中德合作高能效建筑——被動式低能耗建筑質量標識（圖7）。

“山水龍庭”27#住宅建筑依照被動式房屋標準設計，總建筑面積5407m2，相比于65%節(jié)能的房屋，它可節(jié)約標煤15.3t /年，減少CO2排放42.4t /年，節(jié)省采暖費約10.7萬元/年，經濟效益顯著。

圖7 被動式低能耗建筑質量標識

圖8 首堂?創(chuàng)業(yè)家項目外景

3.2 首堂?創(chuàng)業(yè)家展示中心及別墅樣板房

作為中國目前最大的被動式超低能耗綠色建筑，首堂·創(chuàng)業(yè)家項目位于唐山市曹妃甸新城大學城，總占地面積約17.67萬m2，建筑面積28.63萬m2，它將被動房與智能化完美結合，被評為住建部2017年被動式超低能耗綠色建筑科技示范項目（圖8）。

該項目引進德國先進的被動房技術，不需要市政供暖和空調制冷等設備，僅通過專項定制的五位一體機，就實現(xiàn)了室內恒溫、恒濕、恒氧，有效過濾PM2.5高達95%以上。除此之外，整個建筑具有較高的氣密性，隔音降噪效果顯著，整體節(jié)能率達到90%以上（圖9）。

3.3 山東城市建設職業(yè)學院實驗實訓中心——南樓

山東城市建設職業(yè)學院實驗實訓中心南、北兩樓通過連廊連接，總建筑面積21 428.67m2，其中地上建筑面積20 963.38m2，地下建筑面積465.29m2（圖10）。

該項目是山東省中德合作被動式超低能耗綠色建筑示范工程之一，并列入住建部科技計劃項目及省級被動式超低能耗綠色建筑試點示范項目，獲得省級財政資金支持。項目建筑面積規(guī)模居山東省中德合作被動式超低能耗綠色建筑示范工程首位，同時也是目前國內最大的單體實驗實訓項目。該項目設計符合綠色建筑一星級標準，工程質量符合國家及相關行業(yè)驗收標準，滿足《關于加強省被動式超低能耗綠色建筑示范項目管理的通知》（魯建節(jié)科字[2015]9號）的有關規(guī)定。

3.4 雄安萬科被動房茶室

作為未來標桿之城的雄安，主張以先進的理念和國際以一流的水準進行城市設計，塑造新時代城市風貌，建設綠色智慧新城。2017年，萬科集團與住建部科技與產業(yè)化發(fā)展中心簽訂了《全面推進城鄉(xiāng)建設領域綠色發(fā)展研究及推廣合作框架協(xié)議》，根據協(xié)議，雙方將共同在全國打造高等級綠色建筑、裝配式建筑以及規(guī)模推廣被動式超低能耗建筑等試點示范項目。

作為雄安新區(qū)的首個被動式低能耗建筑示范樣板工程（圖11），被動房茶室項目采用優(yōu)質的外墻保溫系統(tǒng)材料進行精細化的施工，并在建筑的基層墻面、門窗洞口及穿墻管道等部位運用了美國杜邦①防水透氣膜和防水隔汽膜，使建筑外圍護結構成為一個密閉的空間，進一步提高了建筑的整體氣密性。

圖9 項目運行時的監(jiān)控數據及對比

圖10 山東城市建設職業(yè)學院實驗實訓中心南、北兩樓外景

上文列舉的4個被動式超低能耗建筑經典工程案例外墻均選用了220～250mm厚石墨板或膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，屋面及樓地面則選用高強度的擠塑板保溫系統(tǒng)，在外墻和屋頂部位同時設置相同厚度的巖棉防火隔離帶，以滿足《建筑設計防火規(guī)范》（GB50016－2014）的要求，外保溫系統(tǒng)通過合理的構造形式對整個建筑實行連續(xù)的包裹。超厚的雙層石墨板提升了外墻的保溫隔熱性能，內外錯縫鋪貼避免了傳統(tǒng)單層板施工形成通縫導致的能量散失問題。門窗連接線條、預壓密封帶、滴水線條等配品配件的使用使保溫材料與門窗框、成品窗臺板、穿墻管道及其他預埋件緊密連接，降低了洞口開裂、墻體結露及滲漏的風險。隔汽膜和透氣膜的使用確保建筑圍護結構為密閉空間，進一步提高了建筑的整體氣密性。

在項目建造過程中，嚴格遵循“無熱橋的設計與施工”原則，盡可能地避免破壞或穿透外圍護結構。旋入式安裝斷熱橋錨固件在提高外墻外保溫系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎上，避免了傳統(tǒng)保溫系統(tǒng)中使用膨脹型錨固件在錨固位置形成重要的“熱橋”和滲水風險點，此外，同時保證了外保溫系統(tǒng)表面的完整性和平整度。當管線等必須穿透外圍護結構時，在穿透處增加孔洞直徑，保證留有足夠的間隙填充密實保溫材料。隔熱墊塊使埋入保溫層的金屬構件與基層墻體形成隔離，將面熱橋降低為點熱橋。

同時，采用與保溫系統(tǒng)具有良好相容性且防水透氣性優(yōu)良的外飾面材料（如裝飾砂漿、真石漆等），不僅保證了建筑外立面的美觀，還避免了致密度較高的外飾面材料導致水汽無法排出，聚集在保溫系統(tǒng)內部，引起面層起鼓、開裂甚至是脫落，進而降低保溫性能的問題，提高了建筑物的使用壽命。

圖11 雄安萬科被動房茶室

4 結語

目前，石墨板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)是最適合被動式超低能耗技術的產品，兼具透氣與防水性能的外飾面材料能夠滿足系統(tǒng)水蒸汽傳輸的要求。選擇一個可以提供高性能產品和系統(tǒng)以及擁有豐富施工經驗的集成服務商，是對被動式超低能耗建筑整體質量的有力保障。

盡管與歐美國家相比，我國被動式超低能耗建筑起步較晚，現(xiàn)階段依舊在實踐中探索最優(yōu)化的被動式技術，但發(fā)展被動式超低能耗建筑符合我國國情和人類各方利益，應該以正確的態(tài)度和正確的方式穩(wěn)步推進。

注釋

① 2017年，美國杜邦與東方雨虹簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，授權其作為杜邦在建筑領域用隔汽膜/透氣膜及系統(tǒng)部件的大中華區(qū)產品總代理。

[1] X. Dequaire. Passivhaus as a low-energy building standard:contribution to a typology[J]. Energy Efficiency, 2012(5).

[2] J. Schnieders, W. Feist, L. Rongen. Passive Houses for different climate zones[J]. Energy and Buildings, 2015(105).

[3] A. Boqvist, C. Claeson-Jonsson, S. Thelandersson. Passive house construction-what is the difference compared to traditional construction?[J]. The Open Construction and Building Technology Journal, 2010(4).

[4] W. Feist. First Steps: What Can be a Passive House in Your Region with Your Climate?[Z]. Psssive House Institue.

[5] P. Rohdin, A. Molin, B. Moshfegh. Experiences from nine passive houses in Sweden-Indoor thermal environment and energy use[J]. Building and Environment, 2014, 71.

[6] W. Feist. Certified Passive House[Z]. Psssive House Institue.

[7] 李琳, 劉偉. 被動式超低能耗建筑發(fā)展中的問題及對策研究[J]. 產業(yè)與科技論壇, 2017, 16(5).

[8] 吳景山, 黃振利, 任琳. 推進超低能耗建筑行動探討[J]. 建設科技, 2017, 9.

[9] 葉曉. 建造適合國情的被動式超低能耗建筑[N]. 中國建設報, 2017-07-31(7).