首選氣凝膠！夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術的創新應用
隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，我國加快推進了各領域的碳減排工作。2022 年 3 月 11 日，住房和城鄉建設部發布了《“十四五”住房和城鄉建設科技發展規劃》，將城鄉建設綠色低碳技術列為“十四五”規劃中制定住房和城鄉建設 9 個重點任務的首位，其中細分了 9 條具體建設任務的研究方向，除低碳能源、低碳發展、低碳建設等關鍵技術外，重點明確了低碳建材和外墻保溫材料 2 項研究技術方向。本文旨在“碳達峰”目標下，對夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術現狀、發展歷程進行梳理和總結，并對夏熱冬冷地區外墻保溫隔熱技術展望路徑進行了研究和分析，提出了未來可滿足超低能耗建筑需求的夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術形式，為夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術的提升發展提供參考。
夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術
發展歷程
我國的夏熱冬冷地區是一個氣候特征比較特殊的地區，既要滿足夏季隔熱的要求，又要滿足冬季保溫的要求。在全球化氣候環境問題日趨嚴峻，節能減排日益重視的背景下，建筑領域的減碳降耗也越發顯得重要，夏熱冬冷地區建筑節能越來越受到人們的關注，并展開了大量研究。我國自 20 世紀 80年代開始踐行生態綠色發展理論，對建筑行業提出了降低生產能耗的要求，北方地區建筑節能工作最先開始，并逐步推進發展。隨著建筑節能標準體系進一步完善，法規、政策進一步實施，我國夏熱冬冷地區也于 20 世紀末開始了建筑節能的試點工作。
建筑外圍護結構作為室內和外部環境相分隔的物質實體方式，在功能上應滿足建筑節能目的。外墻保溫隔熱是圍護結構實現建筑節能的重要技術之一，其技術原理主要通過降低外墻導熱系數導致減少室內外熱交換，使建筑室內冬季散熱少、夏季得熱少。我國的建筑節能工作開始于 20 世紀 70 年代末 80 年代初，隨著建筑節能要求逐步提高，相關的技術標準、技術法規也相繼發布實施，建筑節能率從最初要求的 30%分階段性提高至 75%。建筑外墻保溫隔熱技術經歷了快速的發展周期，同時，應用于建筑外墻的保溫材料也發生著巨大演變，新型保溫隔熱材料迭代更新、不斷涌現。表 1 總結了建筑節能不同發展時期的外墻保溫隔熱技術變化過程，不同時期建筑節能的相關標準技術指標以及相應的建筑外墻保溫材料。
由表 1 可以發現，隨著近幾十年來在建筑節能上的分段式戰略性發展，我國建筑節能技術取得了長足的進步。分段式發展，實現我國建筑節能水平的提高，逐步提高我國建筑節能的相關標準及政策法規對建筑節能的技術要求，促進了建筑節能技術的穩步發展。在對技術不斷完善的革新過程中，充分發展建筑外墻保溫技術體系，研究和開發建筑外墻保溫材料不斷更新迭代，在每個歷史階段都較好地順應了建筑節能的時代發展。
然而，建筑外墻外保溫技術體系現存問題較多，無機型保溫砂漿類產品吸水率較高，抹灰施工后容易空鼓開裂；有機類保溫板材防火性能較弱，容易出現火災安全隱患。隨著全建筑領域“碳達峰”目標的加快實施，建筑節能的發展將進入一個全新的歷史時期，“低碳”“零碳”等超低耗能建筑在新建及改建項目上將實現實施面積總量的巨大突破。據統計“，十三五”規劃期間，我國累計建設完成的超低、近零能耗建筑面積近 0.1 億㎡，住建部印發的《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》文件提出，至 2025 年我國要完成既有建筑改造面積 3.5 億㎡以上，建設超低能耗、近零能耗建筑 0.5 億㎡，在 “雙碳”目標背景下，建筑節能發展前景巨大。但現有的建筑外墻保溫技術尚不能完全滿足建筑節能標準的進一步提高，在新的歷史時期，我國的建筑節能工作亟需在建筑外墻保溫隔熱材料和應用技術中實現巨大突破。
夏熱冬冷地區建筑外墻保溫隔熱技術
發展方向
夏熱冬冷地區夏季氣溫高、冬季氣溫低。該地區的建筑外墻保溫隔熱要求相對其他地區更加復雜，既要滿足夏季隔熱要求，又要滿足冬季保暖要求。
近年來，國家和地方政府陸續發布高技術指標要求的建筑節能標準，如 GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》，浙江省工程建設標準 DB 33/1092—2020《綠色建筑設計標準》、 DB 33/1015—2015《居住建筑節能設計標準》（簡稱省標2015）、DB 33/1015—2021《居住建筑節能設計標準》（簡稱省標2021）、 DB 33/1036—2021《公共建筑節能設計標準》，對夏熱冬冷地區建筑節能提出的指標要求上升至更高水平，其中夏熱冬冷地區外墻平均傳熱系數 K 值在 GB/T 51350—2019 中規定為近零能耗建筑不應大于 0.4 W/（ ㎡·K），DB 33/1015—2021 則將浙江省北區的居住建筑外墻平均傳熱系數 K 值在超低能耗建筑中限定為不大于 0.6 W/ （㎡·K），可見建筑節能要求日趨提高，建筑節能外墻保溫隔熱技術發展水平的提升任重道遠。
作為夏熱冬冷地區普遍采用的建筑外墻保溫隔熱技術形式，外墻外保溫能夠有效隔絕冷熱橋，很好地起到冬季保溫和夏季隔熱的作用。然而，工程質量管理存在問題，低價中標等導致了外墻外保溫質量受到極大影響，加上本身保溫材料柔性疏水特質，與基層水泥基材料相容性存在較大問題，界面層的耐久性要求更高，因此現有外保溫系統設計使用壽命只有25 年。按照 JGJ 134—2010 中 65%的節能設計標準，夏熱冬冷地區外墻外保溫中采用的有機類保溫層厚度一般需達到 2～3cm，而無機類保溫層厚度需達 5 cm 以上，同時抹灰層系統空鼓脫落時有發生，存在一定的質量風險。此外，有機保溫板材一旦燃燒會迅速蔓延發生火災，目前的外墻外保溫技術在夏熱冬冷地區的應用存在一定的安全和火災隱患。當下，隨著節能要求的進一步提高，特別是建筑領域碳達峰、碳中和目標的提出，夏熱冬冷地區采用新材料、新技術、新系統既應符合相關標準的節能新要求，又應解決傳統的系統風險，技術和產品需要兼顧安全性、節能性、經濟性、施工便利性和防火性，這也是行業發展急需解決的問題。
夏熱冬冷地區外墻保溫隔熱材料的應用研究分析
通過參照建筑材料基本熱工參數（見表 2），對傳統建筑外墻保溫材料在近零能耗標準要求下需使用的厚度進行計算比較，本文選取了 2 個情景示例作為計算模型，建模的邊界條件設置（見表 3），居住建筑外墻保溫層厚度計算結果見表 4。
由表 4 可知：（1）氣凝膠材料在近零能耗建筑節能中外墻平均傳熱系數規定的指標要求下，其理論應用厚度遠小于其他保溫材料，比傳統的無機輕集料板減少 60%以上。這與氣凝膠產品優異的保溫隔熱性能密切相關。（2）聚氨酯復合材料和超薄真空絕熱板STP 板的應用厚度也很小，在超低能耗建筑的外墻節能的技術要求中，以往保溫材料的使用厚度都達到 50 mm 以上，這對工程應用極為不利，而聚氨酯、STP 板和氣凝膠這 3 種材料因為導熱系數低，在建筑節能要求不斷提高的形勢下，將對建筑節能外墻保溫隔熱發揮極大的作用。通過模擬計算和對比分析研究，上述性能優異、高絕熱新型保溫材料的產品特點主要包括以下幾方面：
（1）氣凝膠復合保溫絕熱制品
氣凝膠復合絕熱制品是以二氧化硅氣凝膠為主要材料內置增強纖維制成的固態制品，有氈和板等多種產品形式。氣凝膠復合保溫絕熱制品導熱系數僅為 0.02 W/（m·K），具有極優的保溫絕熱性能，且力學性能好，綜合性能優異，但其也存在 價格貴、成本高的缺點。
（2）STP 板
超薄真空絕熱板，也稱 STP 板，是真空保溫材料的一種， 由二氧化硅或玻纖芯材填充和真空保護層復合而成，能夠有效抑制空氣對流的熱傳導，導熱系數低，為 0.008 W/（m·K），保溫性能突出。
（3）聚氨酯/巖棉復合保溫板材
將 A 級防火巖棉板與水泥布膠粘，然后進行聚氨酯樹脂涂布，制備聚氨酯/巖棉復合保溫板，具有優異的保溫性能，導熱系數可以達 0.03 W/（ m·K）以下。
上述幾類高性能保溫絕熱材料在外墻外保溫中的應用可以極大提升墻體的節能性，降低建筑能耗。氣凝膠絕熱制品以無機二氧化硅主體材質，耐候性好、持久耐用、導熱率低、保溫隔熱性能優異。STP 板雖然具備極低的導熱系數，但是其受溫度應變影響大，易產生破裂，在夏熱冬冷地區因為存在較大的季節性溫差變化（夏季氣溫高，冬季氣溫低），此類材料往往應用效果不理想。聚氨酯材料制品由于其有機質的成分特征，不可避免地存在材料制品本體的火災安全隱患問題，因此，在夏熱冬冷地區，在以碳達峰為目標的高效節能外墻保溫隔熱工程中，氣凝膠相關絕熱制品可作為墻體節能應用的優選材料。
夏熱冬冷地區外墻保溫隔熱系統的應用研究分析
基于夏熱冬冷地區的氣候特征，在建筑外墻保溫隔熱工程上主要采取了外墻外保溫系統、外墻保溫結構一體化系統、外墻夾心墻板系統 3 類。對 3 類系統在安全性、節能性、穩定性等方面進行比較分析，結果如表 5 所示。
由表 5 可見，外墻外保溫系統具有簡易的構造形式、便捷的施工方式，其面板與保溫材料能有效復合，與墻體基層能實現可靠連接，是夏熱冬冷地區外墻保溫隔熱中普遍的應用形式。此外，氣凝膠這種高效隔熱的低導熱材料在外墻外保溫系統中作為保溫材料能夠極大提高外保溫系統的節能性，是實現建筑超低能耗的主要節能技術手段。同時，將氣凝膠高隔熱制品與外墻結構一體化，作為免拆模板在混凝土現澆系統中可以實現外墻的高節能性，當應用于內置保溫層外墻夾心墻板時，雙側墻板能夠很好地防護支撐，適用氣凝膠此類絕熱好，但易變形、剛度差的材料，可以有效地提高外墻保溫隔熱性。同時，也在一定程度上推動建筑工業化發展。
結論與展望
綜上研究分析，隨著建筑節能標準體系的不斷提高，在 75%節能率要求下，夏熱冬冷地區居住建筑墻體可采用內外保溫復合的技術形式，如采用熱固性聚苯乙烯泡沫板或發泡陶瓷保溫板進行外墻外保溫，采用無機保溫砂漿作為內保溫，二者相結合，實現建筑外墻保溫節能。然而，在超低能耗建筑中，熱固性聚苯板、發泡陶瓷保溫板以及保溫砂漿等傳統材料無法滿足更高標準的節能要求。本文討論中的項目研究所采用的氣凝膠、聚氨酯泡沫等新型保溫隔熱材料應以滿足超低能耗建筑節能率為要求，在系統構造方面進行復合保溫免拆模板、結構保溫一體化以及金屬面板保溫裝飾一體化等多種構造形式的技術性研究，并進一步加快試點工程應用，驗證材料和系統的高節能性。
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