張一恒， 夏赟， 田野， 姜東序， 黃雷濤

（1.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.青島科瑞新型環(huán)保材料集團(tuán)有限公司，山東 青島 266109）

0 引言

隨著我國實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)確立，國內(nèi)對建筑節(jié)能的要求逐年提高，減少建筑在使用和運維階段的二氧化碳排放，使得被動式超低能耗建筑技術(shù)在國內(nèi)受到了前所未有的關(guān)注和重視，降低建筑能耗最有效的途徑就是建筑高性能保溫，因此建筑對墻體保溫隔熱材料的性能要求也越來越高。真空絕熱板（vacuum insulation panel）是以粉狀和纖維狀無機材料與吸氣劑等作為芯材，用復(fù)合阻氣膜作包裹材料，經(jīng)抽真空、封裝等工藝制成的建筑保溫用板狀材料［1］，而STP是建筑用真空絕熱板（VIPB）的其中一種，作為一種新型高效綠色的保溫材料，它已有50多年的發(fā)展歷史，在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，基于板內(nèi)的真空部位在很大程度上有效地降低了熱傳導(dǎo)，從中形成了一層保溫屏障，然而由于真空絕熱板的構(gòu)造和施工方法，會存在熱橋隱患，首先看真空絕熱板的自身構(gòu)造，其外部阻氣結(jié)構(gòu)與內(nèi)部芯材的導(dǎo)熱系數(shù)差距很大，STP板阻氣模厚度約為0.22mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.68W/（m·K），板的邊緣會有熱橋效應(yīng)［2］，其次真空絕熱板在實際生產(chǎn)過程中，由于各邊緣存在不同尺寸偏差，因此相鄰的真空絕熱板在粘貼過程中將形成橫豎向板縫而不能緊密貼合，導(dǎo)致部分熱量將通過板縫處損失，形成熱橋效應(yīng)。在設(shè)計施工過程中，可以采用預(yù)模擬計算來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整真空絕熱板的尺寸規(guī)格、在板縫處填充具有良好隔熱性能的柔性保溫材料或采用雙層錯縫粘接的手段，從而達(dá)到減小熱橋效應(yīng)，定性定量地把控墻體保溫效果。文中分析并提出了墻體保溫預(yù)模擬方案和減小熱橋效應(yīng)的措施，為設(shè)計、生產(chǎn)和施工提出了可行的方案和建議。

1 試驗方案及實施

文中通過模擬和試驗研究了粘貼方式的外墻外保溫薄抹灰系統(tǒng)，以及現(xiàn)場實測粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外保溫系統(tǒng)。

1.1 試驗方案

1.1.1 粘貼方式的外墻外保溫薄抹灰系統(tǒng)

在大慶市讓胡路區(qū)建立了三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房，3種墻體構(gòu)造分別為A室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結(jié)砂漿+370mm燒結(jié)多孔磚+20mm保溫砂漿；B室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+雙層25mmSTP板錯縫粘貼（STP板與STP板間為5mm粘結(jié)砂漿）+5mm粘結(jié)砂漿+370mm燒結(jié)多孔磚+20mm保溫砂漿；C室：5mm抗裂砂漿+耐堿網(wǎng)格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結(jié)砂漿+240mm輕集料混凝土小型空心砌塊+20mm保溫砂漿。選用2022年1月14日下午3時三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房北向墻體的紅外熱成像儀檢測的墻體表面溫度數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)對比，當(dāng)時室外環(huán)境溫度實測為-24.3℃，A室內(nèi)溫度為14.3℃，B室內(nèi)溫度為13.5℃，C室內(nèi)溫度為13.8℃，利用《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［3］中提供的二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp進(jìn)行模擬分析，模擬了3種外墻外保溫系統(tǒng)下墻體節(jié)點處的熱橋狀態(tài)和不同墻體材料層之間的溫度，應(yīng)用ANSYS軟件對墻體外壁的溫度場狀態(tài)及熱流強度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過比較兩種不同的有限元計算軟件，分析了墻體內(nèi)部的溫度場和熱橋的位置狀態(tài)，模擬結(jié)果與實際紅外檢測結(jié)果進(jìn)行對照，驗證處理方案的效果以及兩種模擬軟件的適用性。

1.1.2 粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外保溫系統(tǒng)

雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈采用粘錨結(jié)合的保溫裝飾一體化板外墻外保溫系統(tǒng)，建筑建成時間為2019年，外墻采用的是輕集料混凝土小型空心砌塊+STP保溫裝飾板的外墻外保溫系統(tǒng)，固定方式為粘錨法，其內(nèi)部板縫采用聚氨酯發(fā)泡填充，裝飾板縫用硅酮密封膠密封。

1.2 方案實施

根據(jù)《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，STP板應(yīng)按設(shè)計進(jìn)行排版，豎向應(yīng)逐行錯縫，最小錯縫寬度不應(yīng)小于100mm，板縫不宜大于8mm，試驗按照8mm板縫來進(jìn)行設(shè)計、施工和模擬，單層粘貼STP板板縫處施工中為保溫砂漿抹壓填充，雙層粘貼STP板中板與板之間內(nèi)部板縫為粘結(jié)砂漿抹壓填充，外層板縫為保溫砂漿填充，表1為材料的應(yīng)用計算參數(shù)見表1。

表1 應(yīng)用計算參數(shù)

1.3 聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房的設(shè)計實施方案

三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房的南北向墻體均粘貼STP板，工程于2021年9月24日開始，工期為期6d，實際施工南向見圖1，北向見圖2。

圖1 南向施工

圖2 北向施工

2 模擬與實測

2.1 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp模擬

DB23/T 2473-2019《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對設(shè)計應(yīng)用提出以下要求：

（1） 確保熱橋部位的內(nèi)表面溫度高于室內(nèi)空氣設(shè)計溫濕度條件下的露點溫度不小于2℃，露點溫度按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》計算。

（2） 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，STP板與基墻之間的界面溫度不低于0℃，界面溫度越高，飽和蒸氣壓越大，界面冷凝的可能性就越小。

表2為3種外墻外保溫系統(tǒng)下，運用PTemp軟件所得到的模擬圖和不同界面的溫度值，主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算公式：

表2 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp模擬數(shù)據(jù)

式中，K為主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；R0為墻體主斷面的傳熱阻，（m2·K）/W；Ri為內(nèi)表面換熱阻，（m2·K）/W；d為墻體各部分厚度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Re為外表面換熱熱阻，（m2·K）/W。設(shè)定好邊界條件和材質(zhì)屬性之后，經(jīng)過模擬得到表2。

2.2 二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp模擬分析

利用PTemp軟件模擬溫度場云圖，參考設(shè)定的溫度標(biāo)尺，可粗略的估算系統(tǒng)內(nèi)的界面溫度，精確到0.5℃。

（1） 三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房的露點溫度計算參數(shù)取相對濕度值為60%，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》計算得到A、B和C室的室內(nèi)空氣在設(shè)計溫、濕度條件下的露點溫度分別為6.6、5.9℃和6.2℃，由表3所示可知，上述3種不同條件下，均符合熱橋部位的內(nèi)表面溫度高于設(shè)計露點溫度2℃以上的規(guī)定。

（2） 同種基墻的情況下，雙層錯縫粘貼STP板的內(nèi)層界面溫度明顯優(yōu)于單層粘貼STP板。

（3） 3種外墻外保溫系統(tǒng)模擬得到的內(nèi)側(cè)板縫處與基墻間的界面溫度均大于0℃，界面溫度越高，飽和蒸汽壓越大，越不容易發(fā)生冷凝，3種外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)各界面溫度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時的飽和水蒸氣分壓見表3。

表3 各界面溫度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時的飽和水蒸氣分壓

2.3 利用ANSYS對比PTemp模擬結(jié)果

參考數(shù)據(jù)和邊界條件同PTemp一樣，墻體網(wǎng)格模型見圖3，溫度場云圖見圖4，熱流矢量見圖5，考慮對流換熱和熱輻射下的ANSYS計算后的溫度場云圖見圖6。

圖3 墻體網(wǎng)格模型

圖4 溫度場云圖

圖5 熱流矢量1

圖6 熱流矢量2

2.4 ANSYS軟件模擬分析

通過ANSYS軟件模擬分析值得出數(shù)據(jù)匯總見表4。

表4 ANSYS軟件模擬分析數(shù)據(jù)

2.5 ANSYS軟件模擬分析

通過ANSYS軟件的熱穩(wěn)定性算法模塊Steady State Thermal，按照文中所設(shè)定的邊界條件及各種材料的計算參數(shù)，建立有限元模型并計算得到3種不同外墻外保溫系統(tǒng)的溫度場云圖和熱流矢量圖，熱流矢量越靠近板縫處分量越明顯，溫度場分布趨勢和傾向一致。熱流也稱為熱通量，根據(jù)傅里葉定律熱流是具有方向性的矢量單位，熱流矢量與溫度梯度成正比［4］，方向相反，包含x、y和z共3個方向，熱傳導(dǎo)方式不同，分為傳導(dǎo)、輻射和對流，墻體外表面溫度的模擬計算應(yīng)當(dāng)考慮墻體外表面與空氣流體間的對流換熱和熱輻射影響，墻體外表面的輻射率取0.95，對流換熱系數(shù)取23.0W/（m2·K），建立北向墻體周圍的空氣域，空氣域的導(dǎo)熱系數(shù)取0.026W/（m·K），得到了3種外墻外保溫系統(tǒng)下北向墻體的外表面溫度值。對比3種不同外保溫系統(tǒng)的主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和外表面總熱流量以及外保溫系統(tǒng)的內(nèi)部界面溫度，文中引用Pearson相關(guān)系數(shù)來衡量數(shù)據(jù)組間的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，相關(guān)性越強，相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0為極強相關(guān)，0.6～0.8為強相關(guān)，將二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp模擬數(shù)據(jù)見表2、ANSYS軟件計算數(shù)據(jù)見表4建立兩套數(shù)據(jù)組，Pearson相關(guān)系數(shù)為A室為0.76，B室為0.71，C室為0.75，說明ANSYS模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果和二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp的數(shù)據(jù)規(guī)律與結(jié)果是存在強線性相關(guān)的。

ANSYS相較于PTemp軟件在外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)部的界面溫度數(shù)值分析和熱流量計算上更精確。

2.6 聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房的紅外熱成像檢測

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷檢測包括外表面熱工缺陷檢測和內(nèi)表面熱工缺陷檢測，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷宜采用紅外熱像儀進(jìn)行檢測，將與受檢表面主體區(qū)域（不包括缺陷區(qū)域）平均溫度的溫度差值≥1℃的點所組成的區(qū)域定義為熱工缺陷區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)要求受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值小于20%，且單塊缺陷面積應(yīng)小于0.5m2，受檢內(nèi)表面單塊缺陷面積小于 0.5m2［5］。2022 年 1 月 14 日下午 3 時，利用 Flir T335紅外熱成像儀對三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房的北向墻體進(jìn)行了實地?zé)峁と毕輽z測，當(dāng)時室外環(huán)境溫度實測值-24.3℃，相對濕度55%，拍攝距離2m，輻射率0.95，檢測期間與開始檢測時的空氣溫度相比，室外空氣溫度逐時值變化最大值為2℃，室內(nèi)空氣溫度逐時值變化最大為1℃，由于受檢的外表面為墻體北墻，故沒有太陽直接照射，受檢內(nèi)表面無燈光照射，從圖像中可以看出STP板拼接縫處的位置溫度較高，流出的熱量較大，溫度的分布沿著板間十字縫向各個邊緣兩端擴散呈現(xiàn)較為明顯的分布，也說明了部分熱量的流出是沿著STP。

板面的阻氣材料及縫隙傳輸出去的。從紅外熱像照片中，選出一塊具有代表性的區(qū)域Ar1，在Ar1內(nèi)部的STP板面和與其周圍溫度差值＜1℃的區(qū)域的集合定義為受檢表面主體區(qū)域，將與受檢表面主體區(qū)域平均溫度差值≥1℃的區(qū)域定義為熱工缺陷區(qū)域。由于三間試驗房的南墻全天受到太陽直接照射，吸收了足夠熱輻射熱量，故在南側(cè)外墻表面用紅外熱成像儀測不出明顯的溫度梯度和熱工缺陷，不予參考；紅外熱像儀照片中，北向墻體內(nèi)表面的亮點為溫濕度記錄儀，不予參考。三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房北向內(nèi)墻紅外熱成像見圖7，北向外墻紅外熱像圖見圖8。

圖7 北向內(nèi)墻紅外熱成像

圖8 北向外墻紅外熱成像

2.7 模擬與實際檢測的數(shù)據(jù)對比分析

紅外熱成像儀測得的三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房北向內(nèi)、外墻體的熱工缺陷匯總見表5。

表5 北向墻體熱工缺陷溫度匯總

通過對紅外熱成像儀數(shù)據(jù)的分析，B室的保溫效果要明顯優(yōu)于其他兩種墻體。三間聯(lián)排標(biāo)準(zhǔn)試驗房北向內(nèi)表面均無熱工缺陷，B室北向內(nèi)外表面無熱工缺陷，A室受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值為13.8%，C室受檢外表面缺陷區(qū)域與主體區(qū)域面積的比值為9.2%，A、C室外表面單塊缺陷區(qū)域面積均小于0.5m2，A室受檢外表面缺陷區(qū)域包括橫向板縫和豎向板縫，豎向短板縫平均溫度與受檢外表面主體區(qū)域（不含缺陷）的平均溫度差值在1～1.2℃，而橫向長板縫平均溫度與受檢外表面主體區(qū)域（不含缺陷）的平均溫度差值在1.4～1.6℃，橫向板縫中包含了十字縫和橫豎向交叉縫，這些部位會產(chǎn)生較大的熱橋效應(yīng)。

2021年年初對雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈北向墻體進(jìn)行了現(xiàn)場熱工缺陷檢測，選取兩處代表性的檢測結(jié)果見表6。

表6 雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈現(xiàn)場檢測結(jié)果匯總

通過紅外熱像檢測結(jié)果可以看出，雙鴨山市經(jīng)開區(qū)科創(chuàng)中心大廈北向內(nèi)外墻體除了固定用錨栓處有明顯的熱工缺陷外，橫豎向板縫及板縫交叉處均沒有熱工缺陷。建議裝飾保溫一體化板固定安裝用錨栓宜設(shè)計成斷熱橋的構(gòu)造，降低能耗。

3 結(jié)語

真空絕熱板在設(shè)計過程中表面阻氣膜結(jié)構(gòu)存在熱橋通道，且在拼接施工過程中板縫造成的熱橋效應(yīng)會對保溫層與基墻界面和墻體室內(nèi)的內(nèi)表面溫度產(chǎn)生影響，經(jīng)過分析驗證得到以下結(jié)論：

（1） 在嚴(yán)寒地區(qū)使用真空絕熱板作為外墻外保溫，采用較薄厚度的STP板雙層錯縫粘貼可以有效的防止界面冷凝，保溫效果顯著，內(nèi)側(cè)界面板縫壓入粘結(jié)砂漿需特殊處理，建議可以選擇預(yù)留20mm板縫加以填塞柔性保溫材料。

（2） 對于單層粘貼STP板8mm板縫的情況，建議在橫、縱向拼接處、墻體邊緣處的板縫用模塑材料擠壓填充，以防止外墻外表面產(chǎn)生熱工缺陷。

（3） 采用真空絕熱板做保溫層的裝飾保溫一體化板，安裝時板縫采用高效保溫材料（聚氨酯發(fā)泡）填充，外面用硅酮密封膠封堵，不會產(chǎn)生熱橋；固定錨栓宜采取斷熱橋措施，降低外墻外表面產(chǎn)生熱橋的概率。

（4） 可采用ANSYS和二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件PTemp結(jié)合模擬外墻外保溫系統(tǒng)的溫度場云圖及熱流矢量圖，當(dāng)外墻外保溫系統(tǒng)內(nèi)部界面溫度臨近0℃，或需要了解某些界面的準(zhǔn)確溫度時，宜采用ANSYS模擬，確保計算更加精確，通過模擬計算結(jié)果預(yù)測系統(tǒng)內(nèi)保溫薄弱節(jié)點和熱工缺陷點，采取相應(yīng)的措施加以強化設(shè)計，達(dá)到理想的節(jié)能保溫效果。