節能裝飾一體化板材的研究與應用進展

節能裝飾一體化板材的研究與應用進展

鄧嬪1，蹇守衛2

(1.中國建筑材料集團有限公司，北京 100036；

2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

摘要：該文針對節能墻體材料這一關鍵建筑節能用材料在建筑工業化發展過程中的問題，比較了國內外發展保溫裝飾一體化板材的趨勢，分析了國內在保溫裝飾一體化領域存在的主要技術問題，在此基礎上，并提出具體的解決方案，指出節能裝飾一體化板材的發展方向。

關鍵詞：節能；裝飾；一體化；研究進展

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.021

Abstract:Aiming at wall material, which is the key energy-saving construction material used in the construction of industrialization development, this paper compares the domestic and foreign development trend with thermal insulation and decoration integrated plate, and analyses the main technical problems in the thermal insulation and decoration integrated field in China. On this basis,the paper puts forward the concrete solution, and introduces the development of thermal insulation decorative integration plate in the process in the Twelfth Five Year Plan period, points out the development direction during the thirteenth.

收稿日期：2015-05-06.

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2011BAJ04B02).

作者簡介：鄧嬪(1982-)，工程師.E-mail:875864640@qq.com

Research and Development of Insulated Decorative Panal

DENGPing1,JIANShou-wei2

(1.China Building Materials Group Co, Ltd,Beijing 100036,China；2.State Key Laboratory of Silicate

Materials for Architectures,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Key words:energy;efficiency;decorative;development

能源是人類社會存在與發展的基石，是新世紀發展的動力，也是制約我國經濟發展的重要因素。

2013年，中國能源消耗達37.5億t標準煤，其中建筑能耗約占全社會能源消費的28%～30%，達10.5～11.25億t，排放NOx、SO2和粉塵量分別為896.9萬t、720.6萬t和270.3萬t。可見，建筑能耗已成為我國建筑能耗的重要組成部分，采取必要的措施減少建筑能耗已成為保障我國能源安全、改善生活環境的必要舉措。

經過數十年的努力，我國在建筑節能技術和推廣方面取得了舉世矚目的成就，但目前我國在建筑節能技術方面仍存在的缺陷，特別是在建筑節能專用材料和應用技術方面，近年來進展緩慢，難以滿足我國人民安全、舒適、耐久的居住要求和快速提升的節能標準要求，也不能滿足建筑工業化的發展趨勢。

墻體是建筑的重要組成部分，其質量百分比通常占建筑材料總量的70%以上，在建筑節能技術中占有重要的地位，但目前仍存在節能效果低、防火性能差、滲漏裂等顯著缺陷；同時，大量的手工施工作業方式也不能適應建筑工業化的發展趨勢要求。因此，發展新型節能墻體材料，符合我國堅持“節約、清潔、安全”的戰略方針，對加快構建低碳、高效、可持續的現代能源體系，以達到《行動計劃》中所提出的“我國一次能源消費總量到2020年控制在48億t標準煤左右，煤炭消費總量控制在42億t左右”的戰略目標要求和中國在哥本哈根氣候會議上提出的“到2020年碳排放強度要在2005年的基礎上降低45%”減排承諾具有重要的意義。

1國內外研究現狀

1.1　國外研究現狀

發達國家從1973年能源危機起開始關注建筑節能，之后由于減排溫室氣體、緩解地球變暖的需要，更加重視建筑節能，不斷修訂建筑標準，涉及墻體節能材料、使用方法和評價技術等多個方面的數十個標準和產品認證體系。根據歐盟對低能耗建筑的發展藍圖，2020 年起所有新建建筑必須符合“凈零能耗標準”。成員國對該標準的定義和目標不一，其中德國和瑞典計劃于 2020 年使建筑行業脫離化石能源依賴。發達國家對建筑行業能源規劃的共識是首先降低建筑一次能耗需求，其次利用可再生能源，從技術思路上，它摒棄了傳統上依靠主動技術堆砌綠色建筑的認識，因此，節能墻體材料的重要性在未來將更加突出。

總的來說，歐盟對外墻保溫系統的總體要求包括：機械穩定性、防火性、健康性、安全性、節能性、耐久性等多個方面的內容。目前實施的材料標準主要包括EN 13162∶2012(礦棉)、EN 13163∶2012(膨脹聚苯乙烯)、EN 13164∶2012(聚苯乙烯泡沫)、EN 13165∶2012(聚氨酯泡沫)、EN 13166∶2012(酚醛泡沫)、EN 13167∶2012(泡沫玻璃)、EN 13172∶2012(建筑用隔熱產品-合格評估)等，而這些標準也基本表明了歐盟目前使用的保溫材料類型、技術參數和總體要求，也是歐盟相關產品進口的依據。

2012年，Jo?lle Noailly在前人研究的基礎上，詳細比較了部分發達國家節能標準對外墻傳熱系數U值的規定發展歷程，并由此計算出因為建筑法規的進步導致的標準建筑能耗變化[1]，其計算結果如圖1所示(考慮到氣候寒冷地區對建筑U值的要求更大，因此作者根據每個國家的采暖度日數進行了氣候因子修正，以使其處于同一基準)。由圖1可見，目前在墻體傳熱系數方面歐洲主要的標準規定范圍為0.6～2.0 kWh/m2K，其中變化幅度最大的是德國(DE)，其U值由1977年的4.7 kWh/m2K降為0.6 kWh/m2K，即U值降低為原有標準的12.8%，成為歐洲對U值要求最嚴格的是國家；由此帶來的能耗降低比例為72.2%。此外，英國(GB)、芬蘭(FI)等國傳熱系數也顯著下降，英國傳熱系數降低幅度為50.9%，芬蘭則降低了63.8%，而由此帶來的標準房屋建筑能耗范圍與U值變化呈現較好的相關性。經過技術研發和標準的不斷更新，歐盟多數國家的建筑圍護結構熱工性能指標已提高了3～8倍。在生活舒適性不斷提高的條件下，新建建筑單位面積能耗已減少到原來的1/3～1/5。

除材料本身外，材料的施工過程與建筑使用過程的節能效果和施工使用過程的節能減排也具有密切的相關性。目前世界各國已對推進建筑產業化(Building Industrialization)在節能節水、降低污染、提高效率等方面的重要性形成了共識。建筑產業化是指運用現代化管理模式，通過標準化的建筑設計以及模數化、工廠化的部品生產，實現建筑構部件的通用化和現場施工的裝配化、機械化。與傳統建造方式比較，建筑產業化具有顯著的優勢，建筑產業化能減少用工50%、縮短工期30%～70%，節水60%、節省木材80%、節省其它材料20%、減少垃圾80%、減少能耗70%。同時，建筑產業化可促進新技術、新材料、新設備和新工藝的大量運用，大大提升建筑安全性、舒適性和耐久性，同時可帶動設計、建材、裝飾等50多個關聯產業產品的技術創新。

在建筑節能和建筑工業化方面，存在很好的契合點。國外已開展了大量的工作，1970—1980年間，德國Peter Ballas發明了金屬鋁板飾面聚氨酯一體化板材，并將其推廣應用于建筑保溫體系中。2014年12月，課題組到瑞典馬爾默考察時，現場參觀了3個保溫材料施工現場，其中一個正在進行一體化的板材施工。圖2為瑞典馬爾默工地保溫裝飾一體化板材施工現場及板材運輸過程，由圖可見，該工地所使用的板材已提前將窗戶與保溫裝飾一體化板材復合。進一步調查發現，該板材為兩面水泥基板材作為保護層、有機涂料作為裝飾層，窗戶與板材預先復合后表面覆膜構成，該板材可有效降低窗戶熱橋損失；其施工為吊裝后錨固，然后粘貼的簡單施工方式。

1.2　國內研究現狀

經過多年的發展，我國建筑節能工作已經取得顯著成效，節能標準已由節能30%的標準開始，大規模普及節能50%，并在全國大量的城市實施節能65%及更高的標準要求，超越建筑節能概念而進一步實施的綠色建筑標準也從2005年開始，在全國大量推廣。在節能標準大幅度提升的同時，我國建材科研和生產單位也從保溫材料生產、產品應用等技術開展了大量工作，形成了以保溫漿料系統、薄抹灰板材系統和保溫裝飾一體化系統為代表的3代節能保溫材料體系。

以北京振利為代表的聚苯顆粒保溫砂漿是以聚苯顆粒為主要保溫功能填料，以水泥砂漿為粘結劑，以聚合物抗裂砂漿為保護層的復合系統。該系統提出了外墻外保溫的逐層漸變，柔性釋放壓力的技術路線，為我國建筑節能的推廣提供了廉價的材料，但由于其導熱系數較大，難以滿足國家節能50%以上的標準要求，因此自2005年開始，在許多地區已限制使用。2011—2012年，由于受到國內幾起嚴重的有機保溫板材燃燒的影響，在此基礎上改良的玻化微珠保溫漿料由于不燃的天然優點，在國內得到大量推廣應用，但隨著2012年12月公安部消防局下發《關于民用建筑外保溫材料消防監督管理有關事項的通知》(350號文)，保溫材料防火性能要求放寬到普通保溫材料范圍，玻化微珠保溫漿料系統又陸續退出國內市場。

以EPS為代表的薄板薄抹灰系統是我國具有代表性意義的第二代保溫材料系統，也是世界上目前應用范圍最廣泛的系統。它以EPS、PU或巖棉為主要保溫材料，以聚合物砂漿為保護材料，現場施工而成。由于導熱系數小、性價比高等優點，廣泛應用于民用建筑和公共建筑中。但該系統也存在明顯的缺陷，如有機板材防火性能差、無機板材吸水率大，保護層材料需要現場施工、濕作業、施工工序長、施工質量難以保證等。

為解決現場施工質量難以保證、施工周期長等問題，國內許多科研機構和生產單位開始研究集保溫、裝飾一體的干作業的新型保溫隔熱材料。外保溫裝飾一體化方案就是把外墻施工所用的保溫材料和裝飾材料放在工廠中進行預制，制成成品后再安裝到墻面上[2-4]。最初的一種做法是用專用的固定件將不易吸水的各種保溫板固定在外墻上，然后將鋁板、天然石材、彩色玻璃等外掛在預先制作的龍骨上，直接形成裝飾面。由貝聿銘先生設計的中國銀行總行辦公樓的外墻保溫就是采用的這種設計。這種外掛式的外保溫安裝費時，施工難度大，占用主導工期，待主體驗收完后才可進行施工。在進行高層施工時，施工人員的安全不易得到保障。

從2005年開始，武漢理工大學、湖北卓寶、北京富思特、上海亞士漆、上海笨鳥等多家公司都推出了集保溫裝飾一體化的新型多功能板材。其主要的結構形式是保溫材料+保護飾面材料+粘結劑組成，其中保溫材料可為EPS板、XPS板或PU等，飾面材料為鋁塑板、石材、金屬面等(圖3為湖北卓寶生產的薄石材保溫裝飾一體化板材的基本構造)[5-9]。這種新型多功能板材是在外墻外保溫技術基礎上發展而來，采用工廠預制生產、現場安裝工藝，有利于提高建筑工業化、產品標準化、施工裝配化水平，縮短施工工期。

2存在問題

2.1　板材及系統的高效節能

由于一體化板材構造是將保溫材料與保護層材料復合，其節能效果的實現，本質上還是原有保溫材料對熱量的時間衰減效應。因此，從節能效果上看與原有板材系統并無差異。如何提高板材的節能效果是目前保溫裝飾一體化板材制備過程中需要考慮的問題。目前，主要的研究思路是一方面通過優化保溫材料的本體性能提高板材的節能效果(圖4)[10,11]；另一方面，通過設計不同的功能結構，實現板材的高效節能(圖5)[12]。

板材使用過程的節能效益與板材-墻體系統的構造密切相關。目前的板材-墻體構造大體上可包括兩種：一種是無空腔結構的板材-墻體構造，這種構造主要采用粘貼方式施工，板材與墻體緊密接觸；另一種是有空腔的板材-墻體構造，這種構造通常采用錨固方式施工，在板材與墻體之間留有一定厚度的空氣層。從節能角度出發，后者如對空氣層厚度進行優化，降低熱對流效應，應可提高系統的節能效果，但目前對此方面的研究較少。進一步的，有空腔結構由于上下存在空氣壓力差，也可通過空氣對流帶走熱量，實現夏季的節能，對這方面的研究，是未來可以考慮開展的工作。

最后，由于板材在安裝時龍骨、錨固點傳熱和大量的施工縫，在處理不當時容易形成熱橋，而板材與門窗系統的結合部位、女兒墻等節點構造均對節能具有顯著的影響。因此，對龍骨、錨固點和施工縫的處理是板材施工時應注意加強的方向。

2.2　板材及系統的安全性

與薄抹灰技術相比，保溫裝飾一體化板材同樣存在安全性問題，主要體現在界面力學性能和防火安全性方面。由于一體化板材與保溫材料進行了預先復合，保護層對保溫材料與外界環境具有隔離作用，因此與薄抹灰系統相比，其防火性能較好。其主要問題在界面上。

從材料制備技術上看，在保溫材料和保護層材料間存在明顯的界面，如何解決存在的界面問題是影響板材性能的難點。而與此同時，薄弱的界面由于保溫材料自身變形、保溫材料與其他材料不一致變形引起的保溫裝飾板體積變形容易導致保溫裝飾板脫落。

從施工方式上看，由于板材與墻體間的安裝主要以粘結或錨固為主，因此，選擇何種施工方式進行施工是板材應用中必須考慮的問題。由于單一的錨固方法所造成的空腔結構弱化了板材系統的抗風壓能力，而直接采用粘結的方法又會影響保溫層的透氣性，進而影響系統的節能效果和使用壽命，因此必須采用新的施工方案和構造措施。

2.3　板材及系統的裝飾性

金屬飾面-聚氨酯板是目前廣泛應用的板材，在實際施工時由于拐角處二次加工或施工機具碰撞(圖6)，易造成飾面金屬材料發生破壞。目前的解決辦法是一方面在保證經濟性的前提下盡可能提高金屬板的厚度以增加板材的剛性和硬度，另一方面，開發專用的切割機具和施工機具，以減少折邊損耗和碰撞缺陷，提高施工質量。

同時，經驗表明，即使是極其微小的尺寸偏差也會導致板材最終裝飾性的差異。目前一體化板材的施工仍然是人工手動控制，因此，此類偏差極難避免，未來開發自動化程度較高的高精度施工方式仍是本領域發展的重要方向。

因此，為解決目前保溫裝飾一體化系統所存在的各種技術問題，需要研究相應的材料、制備工藝、施工工藝及相關設備，為該系統的規模化應用提供技術支撐。

3結語

能源是人類生存和發展的物質基礎，建筑節能是構建國家可持續發展戰略的重要舉措；建筑產業化是減少建筑污染、提高建筑質量的有效途徑。節能裝飾一體化材料是在建筑產業化背景下發展新型節能材料的主要方向之一。

國外開展了大量保溫材料的研究和建筑產業化的研究，也有少量的將保溫材料與裝飾材料作為一體化構件的案例，但由于國外建設規模小，該結構和建造方式是否符合我國材料和建筑發展方向目前并不明確。

國內已有大量的企業從事節能裝飾一體化板材的生產和應用技術研究，也制訂了相關的產品標準和施工規范，但仍然存在一定的問題，主要包括材料的精度問題、施工質量問題等。

因此，未來必須加快研究節能裝飾一體化板材的應用技術，包括與不同結構的匹配方式，節能性、安全性與裝飾性的統一，相關研究工作將促進我國新建建筑和既有建筑的節能改造的應用技術發展。

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