嚴寒地區真空絕熱板應用防熱橋及缺陷措施研究

張一恒， 夏赟， 田野， 姜東序， 黃雷濤

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

0 引言

隨著我國實現碳達峰碳中和的目標確立，國內對建筑節能的要求逐年提高，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在國內受到了前所未有的關注和重視，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，用復合阻氣膜作包裹材料，經抽真空、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多年的發展歷史，在實際生產和應用中，基于板內的真空部位在很大程度上有效地降低了熱傳導，從中形成了一層保溫屏障，然而由于真空絕熱板的構造和施工方法，會存在熱橋隱患，首先看真空絕熱板的自身構造，其外部阻氣結構與內部芯材的導熱系數差距很大，STP板阻氣模厚度約為0.22mm，導熱系數0.68W/（m·K），板的邊緣會有熱橋效應［2］，其次真空絕熱板在實際生產過程中，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，導致部分熱量將通過板縫處損失，形成熱橋效應。在設計施工過程中，可以采用預模擬計算來適當的調整真空絕熱板的尺寸規格、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，從而達到減小熱橋效應，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模擬方案和減小熱橋效應的措施，為設計、生產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，以及現場實測粘錨結合的保溫裝飾一體化板外保溫系統。

1.1 試驗方案

1.1.1 粘貼方式的外墻外保溫薄抹灰系統

在大慶市讓胡路區建立了三間聯排標準試驗房，3種墻體構造分別為A室：5mm抗裂砂漿+耐堿網格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結砂漿+370mm燒結多孔磚+20mm保溫砂漿；B室：5mm抗裂砂漿+耐堿網格布+10mm保溫砂漿+雙層25mmSTP板錯縫粘貼（STP板與STP板間為5mm粘結砂漿）+5mm粘結砂漿+370mm燒結多孔磚+20mm保溫砂漿；C室：5mm抗裂砂漿+耐堿網格布+10mm保溫砂漿+30mm單層粘貼STP板+5mm粘結砂漿+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時三間聯排標準試驗房北向墻體的紅外熱成像儀檢測的墻體表面溫度數據與模擬計算數據對比，當時室外環境溫度實測為-24.3℃，A室內溫度為14.3℃，B室內溫度為13.5℃，C室內溫度為13.8℃，利用《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》［3］中提供的二維穩態傳熱計算軟件PTemp進行模擬分析，模擬了3種外墻外保溫系統下墻體節點處的熱橋狀態和不同墻體材料層之間的溫度，應用ANSYS軟件對墻體外壁的溫度場狀態及熱流強度分布進行了數值模擬分析，通過比較兩種不同的有限元計算軟件，分析了墻體內部的溫度場和熱橋的位置狀態，模擬結果與實際紅外檢測結果進行對照，驗證處理方案的效果以及兩種模擬軟件的適用性。

1.1.2 粘錨結合的保溫裝飾一體化板外保溫系統

雙鴨山市經開區科創中心大廈采用粘錨結合的保溫裝飾一體化板外墻外保溫系統，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，固定方式為粘錨法，其內部板縫采用聚氨酯發泡填充，裝飾板縫用硅酮密封膠密封。

1.2 方案實施

根據《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應用技術規程》，STP板應按設計進行排版，豎向應逐行錯縫，最小錯縫寬度不應小于100mm，板縫不宜大于8mm，試驗按照8mm板縫來進行設計、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板中板與板之間內部板縫為粘結砂漿抹壓填充，外層板縫為保溫砂漿填充，表1為材料的應用計算參數見表1。

表1 應用計算參數

1.3 聯排標準試驗房的設計實施方案

三間聯排標準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 二維穩態傳熱計算軟件PTemp模擬

DB23/T 2473-2019《黑龍江省建筑外墻用真空絕熱板（STP）應用技術規程》對設計應用提出以下要求：

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

（2） 系統設計時應滿足相關節能標準的要求，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，主斷面傳熱系數計算公式：

表2 二維穩態傳熱計算軟件PTemp模擬數據

式中，K為主斷面傳熱系數，W/（m2·K）；R0為墻體主斷面的傳熱阻，（m2·K）/W；Ri為內表面換熱阻，（m2·K）/W；d為墻體各部分厚度，m；λ為導熱系數，W/（m·K）；Re為外表面換熱熱阻，（m2·K）/W。設定好邊界條件和材質屬性之后，經過模擬得到表2。

2.2 二維穩態傳熱計算軟件PTemp模擬分析

利用PTemp軟件模擬溫度場云圖，參考設定的溫度標尺，可粗略的估算系統內的界面溫度，精確到0.5℃。

（1） 三間聯排標準試驗房的露點溫度計算參數取相對濕度值為60%，根據《民用建筑熱工設計規范》計算得到A、B和C室的室內空氣在設計溫、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表面溫度高于設計露點溫度2℃以上的規定。

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

（3） 3種外墻外保溫系統模擬得到的內側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，越不容易發生冷凝，3種外墻外保溫系統內各界面溫度對應的標準大氣壓時的飽和水蒸氣分壓見表3。

表3 各界面溫度對應的標準大氣壓時的飽和水蒸氣分壓

2.3 利用ANSYS對比PTemp模擬結果

參考數據和邊界條件同PTemp一樣，墻體網格模型見圖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據匯總見表4。

表4 ANSYS軟件模擬分析數據

2.5 ANSYS軟件模擬分析

通過ANSYS軟件的熱穩定性算法模塊Steady State Thermal，按照文中所設定的邊界條件及各種材料的計算參數，建立有限元模型并計算得到3種不同外墻外保溫系統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，熱傳導方式不同，分為傳導、輻射和對流，墻體外表面溫度的模擬計算應當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，對流換熱系數取23.0W/（m2·K），建立北向墻體周圍的空氣域，空氣域的導熱系數取0.026W/（m·K），得到了3種外墻外保溫系統下北向墻體的外表面溫度值。對比3種不同外保溫系統的主斷面傳熱系數和外表面總熱流量以及外保溫系統的內部界面溫度，文中引用Pearson相關系數來衡量數據組間的線性相關關系，相關系數的絕對值越大，相關性越強，相關系數在0.8～1.0為極強相關，0.6～0.8為強相關，將二維穩態傳熱計算軟件PTemp模擬數據見表2、ANSYS軟件計算數據見表4建立兩套數據組，Pearson相關系數為A室為0.76，B室為0.71，C室為0.75，說明ANSYS模擬的數據結果和二維穩態傳熱計算軟件PTemp的數據規律與結果是存在強線性相關的。

ANSYS相較于PTemp軟件在外墻外保溫系統內部的界面溫度數值分析和熱流量計算上更精確。

2.6 聯排標準試驗房的紅外熱成像檢測

建筑外圍護結構熱工缺陷檢測包括外表面熱工缺陷檢測和內表面熱工缺陷檢測，外圍護結構熱工缺陷宜采用紅外熱像儀進行檢測，將與受檢表面主體區域（不包括缺陷區域）平均溫度的溫度差值≥1℃的點所組成的區域定義為熱工缺陷區域，標準要求受檢外表面缺陷區域與主體區域面積的比值小于20%，且單塊缺陷面積應小于0.5m2，受檢內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排標準試驗房的北向墻體進行了實地熱工缺陷檢測，當時室外環境溫度實測值-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域Ar1，在Ar1內部的STP板面和與其周圍溫度差值＜1℃的區域的集合定義為受檢表面主體區域，將與受檢表面主體區域平均溫度差值≥1℃的區域定義為熱工缺陷區域。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，北向墻體內表面的亮點為溫濕度記錄儀，不予參考。三間聯排標準試驗房北向內墻紅外熱成像見圖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據對比分析

紅外熱成像儀測得的三間聯排標準試驗房北向內、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據的分析，B室的保溫效果要明顯優于其他兩種墻體。三間聯排標準試驗房北向內表面均無熱工缺陷，B室北向內外表面無熱工缺陷，A室受檢外表面缺陷區域與主體區域面積的比值為13.8%，C室受檢外表面缺陷區域與主體區域面積的比值為9.2%，A、C室外表面單塊缺陷區域面積均小于0.5m2，A室受檢外表面缺陷區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，這些部位會產生較大的熱橋效應。

2021年年初對雙鴨山市經開區科創中心大廈北向墻體進行了現場熱工缺陷檢測，選取兩處代表性的檢測結果見表6。

表6 雙鴨山市經開區科創中心大廈現場檢測結果匯總

通過紅外熱像檢測結果可以看出，雙鴨山市經開區科創中心大廈北向內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計成斷熱橋的構造，降低能耗。

3 結語

真空絕熱板在設計過程中表面阻氣膜結構存在熱橋通道，且在拼接施工過程中板縫造成的熱橋效應會對保溫層與基墻界面和墻體室內的內表面溫度產生影響，經過分析驗證得到以下結論：

（1） 在嚴寒地區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，內側界面板縫壓入粘結砂漿需特殊處理，建議可以選擇預留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（聚氨酯發泡）填充，外面用硅酮密封膠封堵，不會產生熱橋；固定錨栓宜采取斷熱橋措施，降低外墻外表面產生熱橋的概率。

（4） 可采用ANSYS和二維穩態傳熱計算軟件PTemp結合模擬外墻外保溫系統的溫度場云圖及熱流矢量圖，當外墻外保溫系統內部界面溫度臨近0℃，或需要了解某些界面的準確溫度時，宜采用ANSYS模擬，確保計算更加精確，通過模擬計算結果預測系統內保溫薄弱節點和熱工缺陷點，采取相應的措施加以強化設計，達到理想的節能保溫效果。