首选气凝胶！夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术的创新应用
随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，我国加快推进了各领域的碳减排工作。2022 年 3 月 11 日，住房和城乡建设部发布了《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》，将城乡建设绿色低碳技术列为“十四五”规划中制定住房和城乡建设 9 个重点任务的首位，其中细分了 9 条具体建设任务的研究方向，除低碳能源、低碳发展、低碳建设等关键技术外，重点明确了低碳建材和外墙保温材料 2 项研究技术方向。本文旨在“碳达峰”目标下，对夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术现状、发展历程进行梳理和总结，并对夏热冬冷地区外墙保温隔热技术展望路径进行了研究和分析，提出了未来可满足超低能耗建筑需求的夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术形式，为夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术的提升发展提供参考。
夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术
发展历程
我国的夏热冬冷地区是一个气候特征比较特殊的地区，既要满足夏季隔热的要求，又要满足冬季保温的要求。在全球化气候环境问题日趋严峻，节能减排日益重视的背景下，建筑领域的减碳降耗也越发显得重要，夏热冬冷地区建筑节能越来越受到人们的关注，并展开了大量研究。我国自 20 世纪 80年代开始践行生态绿色发展理论，对建筑行业提出了降低生产能耗的要求，北方地区建筑节能工作最先开始，并逐步推进发展。随着建筑节能标准体系进一步完善，法规、政策进一步实施，我国夏热冬冷地区也于 20 世纪末开始了建筑节能的试点工作。
建筑外围护结构作为室内和外部环境相分隔的物质实体方式，在功能上应满足建筑节能目的。外墙保温隔热是围护结构实现建筑节能的重要技术之一，其技术原理主要通过降低外墙导热系数导致减少室内外热交换，使建筑室内冬季散热少、夏季得热少。我国的建筑节能工作开始于 20 世纪 70 年代末 80 年代初，随着建筑节能要求逐步提高，相关的技术标准、技术法规也相继发布实施，建筑节能率从最初要求的 30%分阶段性提高至 75%。建筑外墙保温隔热技术经历了快速的发展周期，同时，应用于建筑外墙的保温材料也发生着巨大演变，新型保温隔热材料迭代更新、不断涌现。表 1 总结了建筑节能不同发展时期的外墙保温隔热技术变化过程，不同时期建筑节能的相关标准技术指标以及相应的建筑外墙保温材料。
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由表 1 可以发现，随着近几十年来在建筑节能上的分段式战略性发展，我国建筑节能技术取得了长足的进步。分段式发展，实现我国建筑节能水平的提高，逐步提高我国建筑节能的相关标准及政策法规对建筑节能的技术要求，促进了建筑节能技术的稳步发展。在对技术不断完善的革新过程中，充分发展建筑外墙保温技术体系，研究和开发建筑外墙保温材料不断更新迭代，在每个历史阶段都较好地顺应了建筑节能的时代发展。
然而，建筑外墙外保温技术体系现存问题较多，无机型保温砂浆类产品吸水率较高，抹灰施工后容易空鼓开裂；有机类保温板材防火性能较弱，容易出现火灾安全隐患。随着全建筑领域“碳达峰”目标的加快实施，建筑节能的发展将进入一个全新的历史时期，“低碳”“零碳”等超低耗能建筑在新建及改建项目上将实现实施面积总量的巨大突破。据统计“，十三五”规划期间，我国累计建设完成的超低、近零能耗建筑面积近 0.1 亿㎡，住建部印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》文件提出，至 2025 年我国要完成既有建筑改造面积 3.5 亿㎡以上，建设超低能耗、近零能耗建筑 0.5 亿㎡，在 “双碳”目标背景下，建筑节能发展前景巨大。但现有的建筑外墙保温技术尚不能完全满足建筑节能标准的进一步提高，在新的历史时期，我国的建筑节能工作亟需在建筑外墙保温隔热材料和应用技术中实现巨大突破。
夏热冬冷地区建筑外墙保温隔热技术
发展方向
夏热冬冷地区夏季气温高、冬季气温低。该地区的建筑外墙保温隔热要求相对其他地区更加复杂，既要满足夏季隔热要求，又要满足冬季保暖要求。
近年来，国家和地方政府陆续发布高技术指标要求的建筑节能标准，如 GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》，浙江省工程建设标准 DB 33/1092—2020《绿色建筑设计标准》、 DB 33/1015—2015《居住建筑节能设计标准》（简称省标2015）、DB 33/1015—2021《居住建筑节能设计标准》（简称省标2021）、 DB 33/1036—2021《公共建筑节能设计标准》，对夏热冬冷地区建筑节能提出的指标要求上升至更高水平，其中夏热冬冷地区外墙平均传热系数 K 值在 GB/T 51350—2019 中规定为近零能耗建筑不应大于 0.4 W/（ ㎡·K），DB 33/1015—2021 则将浙江省北区的居住建筑外墙平均传热系数 K 值在超低能耗建筑中限定为不大于 0.6 W/ （㎡·K），可见建筑节能要求日趋提高，建筑节能外墙保温隔热技术发展水平的提升任重道远。
作为夏热冬冷地区普遍采用的建筑外墙保温隔热技术形式，外墙外保温能够有效隔绝冷热桥，很好地起到冬季保温和夏季隔热的作用。然而，工程质量管理存在问题，低价中标等导致了外墙外保温质量受到极大影响，加上本身保温材料柔性疏水特质，与基层水泥基材料相容性存在较大问题，界面层的耐久性要求更高，因此现有外保温系统设计使用寿命只有25 年。按照 JGJ 134—2010 中 65%的节能设计标准，夏热冬冷地区外墙外保温中采用的有机类保温层厚度一般需达到 2～3cm，而无机类保温层厚度需达 5 cm 以上，同时抹灰层系统空鼓脱落时有发生，存在一定的质量风险。此外，有机保温板材一旦燃烧会迅速蔓延发生火灾，目前的外墙外保温技术在夏热冬冷地区的应用存在一定的安全和火灾隐患。当下，随着节能要求的进一步提高，特别是建筑领域碳达峰、碳中和目标的提出，夏热冬冷地区采用新材料、新技术、新系统既应符合相关标准的节能新要求，又应解决传统的系统风险，技术和产品需要兼顾安全性、节能性、经济性、施工便利性和防火性，这也是行业发展急需解决的问题。
夏热冬冷地区外墙保温隔热材料的应用研究分析
通过参照建筑材料基本热工参数（见表 2），对传统建筑外墙保温材料在近零能耗标准要求下需使用的厚度进行计算比较，本文选取了 2 个情景示例作为计算模型，建模的边界条件设置（见表 3），居住建筑外墙保温层厚度计算结果见表 4。
由表 4 可知：（1）气凝胶材料在近零能耗建筑节能中外墙平均传热系数规定的指标要求下，其理论应用厚度远小于其他保温材料，比传统的无机轻集料板减少 60%以上。这与气凝胶产品优异的保温隔热性能密切相关。（2）聚氨酯复合材料和超薄真空绝热板STP 板的应用厚度也很小，在超低能耗建筑的外墙节能的技术要求中，以往保温材料的使用厚度都达到 50 mm 以上，这对工程应用极为不利，而聚氨酯、STP 板和气凝胶这 3 种材料因为导热系数低，在建筑节能要求不断提高的形势下，将对建筑节能外墙保温隔热发挥极大的作用。通过模拟计算和对比分析研究，上述性能优异、高绝热新型保温材料的产品特点主要包括以下几方面：
（1）气凝胶复合保温绝热制品
气凝胶复合绝热制品是以二氧化硅气凝胶为主要材料内置增强纤维制成的固态制品，有毡和板等多种产品形式。气凝胶复合保温绝热制品导热系数仅为 0.02 W/（m·K），具有极优的保温绝热性能，且力学性能好，综合性能优异，但其也存在 价格贵、成本高的缺点。
（2）STP 板
超薄真空绝热板，也称 STP 板，是真空保温材料的一种， 由二氧化硅或玻纤芯材填充和真空保护层复合而成，能够有效抑制空气对流的热传导，导热系数低，为 0.008 W/（m·K），保温性能突出。
（3）聚氨酯/岩棉复合保温板材
将 A 级防火岩棉板与水泥布胶粘，然后进行聚氨酯树脂涂布，制备聚氨酯/岩棉复合保温板，具有优异的保温性能，导热系数可以达 0.03 W/（ m·K）以下。
上述几类高性能保温绝热材料在外墙外保温中的应用可以极大提升墙体的节能性，降低建筑能耗。气凝胶绝热制品以无机二氧化硅主体材质，耐候性好、持久耐用、导热率低、保温隔热性能优异。STP 板虽然具备极低的导热系数，但是其受温度应变影响大，易产生破裂，在夏热冬冷地区因为存在较大的季节性温差变化（夏季气温高，冬季气温低），此类材料往往应用效果不理想。聚氨酯材料制品由于其有机质的成分特征，不可避免地存在材料制品本体的火灾安全隐患问题，因此，在夏热冬冷地区，在以碳达峰为目标的高效节能外墙保温隔热工程中，气凝胶相关绝热制品可作为墙体节能应用的优选材料。
夏热冬冷地区外墙保温隔热系统的应用研究分析
基于夏热冬冷地区的气候特征，在建筑外墙保温隔热工程上主要采取了外墙外保温系统、外墙保温结构一体化系统、外墙夹心墙板系统 3 类。对 3 类系统在安全性、节能性、稳定性等方面进行比较分析，结果如表 5 所示。
由表 5 可见，外墙外保温系统具有简易的构造形式、便捷的施工方式，其面板与保温材料能有效复合，与墙体基层能实现可靠连接，是夏热冬冷地区外墙保温隔热中普遍的应用形式。此外，气凝胶这种高效隔热的低导热材料在外墙外保温系统中作为保温材料能够极大提高外保温系统的节能性，是实现建筑超低能耗的主要节能技术手段。同时，将气凝胶高隔热制品与外墙结构一体化，作为免拆模板在混凝土现浇系统中可以实现外墙的高节能性，当应用于内置保温层外墙夹心墙板时，双侧墙板能够很好地防护支撑，适用气凝胶此类绝热好，但易变形、刚度差的材料，可以有效地提高外墙保温隔热性。同时，也在一定程度上推动建筑工业化发展。
结论与展望
综上研究分析，随着建筑节能标准体系的不断提高，在 75%节能率要求下，夏热冬冷地区居住建筑墙体可采用内外保温复合的技术形式，如采用热固性聚苯乙烯泡沫板或发泡陶瓷保温板进行外墙外保温，采用无机保温砂浆作为内保温，二者相结合，实现建筑外墙保温节能。然而，在超低能耗建筑中，热固性聚苯板、发泡陶瓷保温板以及保温砂浆等传统材料无法满足更高标准的节能要求。本文讨论中的项目研究所采用的气凝胶、聚氨酯泡沫等新型保温隔热材料应以满足超低能耗建筑节能率为要求，在系统构造方面进行复合保温免拆模板、结构保温一体化以及金属面板保温装饰一体化等多种构造形式的技术性研究，并进一步加快试点工程应用，验证材料和系统的高节能性。
