節(jié)能裝飾一體化板材的研究與應(yīng)用進(jìn)展

鄧嬪1，蹇守衛(wèi)2

(1.中國建筑材料集團(tuán)有限公司，北京 100036；

2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

摘要：該文針對節(jié)能墻體材料這一關(guān)鍵建筑節(jié)能用材料在建筑工業(yè)化發(fā)展過程中的問題，比較了國內(nèi)外發(fā)展保溫裝飾一體化板材的趨勢，分析了國內(nèi)在保溫裝飾一體化領(lǐng)域存在的主要技術(shù)問題，在此基礎(chǔ)上，并提出具體的解決方案，指出節(jié)能裝飾一體化板材的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；裝飾；一體化；研究進(jìn)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(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(fā)展的基石，是新世紀(jì)發(fā)展的動力，也是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

2013年，中國能源消耗達(dá)37.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中建筑能耗約占全社會能源消費(fèi)的28%～30%，達(dá)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?？梢?，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(huán)境的必要舉措。

經(jīng)過數(shù)十年的努力，我國在建筑節(jié)能技術(shù)和推廣方面取得了舉世矚目的成就，但目前我國在建筑節(jié)能技術(shù)方面仍存在的缺陷，特別是在建筑節(jié)能專用材料和應(yīng)用技術(shù)方面，近年來進(jìn)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(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，也不能滿足建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢。

墻體是建筑的重要組成部分，其質(zhì)量百分比通常占建筑材料總量的70%以上，在建筑節(jié)能技術(shù)中占有重要的地位，但目前仍存在節(jié)能效果低、防火性能差、滲漏裂等顯著缺陷；同時(shí)，大量的手工施工作業(yè)方式也不能適應(yīng)建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢要求。因此，發(fā)展新型節(jié)能墻體材料，符合我國堅(jiān)持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，對加快構(gòu)建低碳、高效、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，以達(dá)到《行動計(jì)劃》中所提出的“我國一次能源消費(fèi)總量到2020年控制在48億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，煤炭消費(fèi)總量控制在42億t左右”的戰(zhàn)略目標(biāo)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(qiáng)度要在2005年的基礎(chǔ)上降低45%”減排承諾具有重要的意義。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1　國外研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家從1973年能源危機(jī)起開始關(guān)注建筑節(jié)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(jié)能，不斷修訂建筑標(biāo)準(zhǔn)，涉及墻體節(jié)能材料、使用方法和評價(jià)技術(shù)等多個方面的數(shù)十個標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品認(rèn)證體系。根據(jù)歐盟對低能耗建筑的發(fā)展藍(lán)圖，2020 年起所有新建建筑必須符合“凈零能耗標(biāo)準(zhǔn)”。成員國對該標(biāo)準(zhǔn)的定義和目標(biāo)不一，其中德國和瑞典計(jì)劃于 2020 年使建筑行業(yè)脫離化石能源依賴。發(fā)達(dá)國家對建筑行業(yè)能源規(guī)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(shù)思路上，它摒棄了傳統(tǒng)上依靠主動技術(shù)堆砌綠色建筑的認(rèn)識，因此，節(jié)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(tǒng)的總體要求包括：機(jī)械穩(wěn)定性、防火性、健康性、安全性、節(jié)能性、耐久性等多個方面的內(nèi)容。目前實(shí)施的材料標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品-合格評估)等，而這些標(biāo)準(zhǔn)也基本表明了歐盟目前使用的保溫材料類型、技術(shù)參數(shù)和總體要求，也是歐盟相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)口的依據(jù)。

2012年，Jo?lle Noailly在前人研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)比較了部分發(fā)達(dá)國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對外墻傳熱系數(shù)U值的規(guī)定發(fā)展歷程，并由此計(jì)算出因?yàn)榻ㄖㄒ?guī)的進(jìn)步導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)建筑能耗變化[1]，其計(jì)算結(jié)果如圖1所示(考慮到氣候寒冷地區(qū)對建筑U值的要求更大，因此作者根據(jù)每個國家的采暖度日數(shù)進(jìn)行了氣候因子修正，以使其處于同一基準(zhǔn))。由圖1可見，目前在墻體傳熱系數(shù)方面歐洲主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的12.8%，成為歐洲對U值要求最嚴(yán)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(shù)也顯著下降，英國傳熱系數(shù)降低幅度為50.9%，芬蘭則降低了63.8%，而由此帶來的標(biāo)準(zhǔn)房屋建筑能耗范圍與U值變化呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。經(jīng)過技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，歐盟多數(shù)國家的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能指標(biāo)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(jié)能效果和施工使用過程的節(jié)能減排也具有密切的相關(guān)性。目前世界各國已對推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)化(Building Industrialization)在節(jié)能節(jié)水、降低污染、提高效率等方面的重要性形成了共識。建筑產(chǎn)業(yè)化是指運(yùn)用現(xiàn)代化管理模式，通過標(biāo)準(zhǔn)化的建筑設(shè)計(jì)以及模數(shù)化、工廠化的部品生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)部件的通用化和現(xiàn)場施工的裝配化、機(jī)械化。與傳統(tǒng)建造方式比較，建筑產(chǎn)業(yè)化具有顯著的優(yōu)勢，建筑產(chǎn)業(yè)化能減少用工50%、縮短工期30%～70%，節(jié)水60%、節(jié)省木材80%、節(jié)省其它材料20%、減少垃圾80%、減少能耗70%。同時(shí)，建筑產(chǎn)業(yè)化可促進(jìn)新技術(shù)、新材料、新設(shè)備和新工藝的大量運(yùn)用，大大提升建筑安全性、舒適性和耐久性，同時(shí)可帶動設(shè)計(jì)、建材、裝飾等50多個關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。

在建筑節(jié)能和建筑工業(yè)化方面，存在很好的契合點(diǎn)。國外已開展了大量的工作，1970—1980年間，德國Peter Ballas發(fā)明了金屬鋁板飾面聚氨酯一體化板材，并將其推廣應(yīng)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(shí)，現(xiàn)場參觀了3個保溫材料施工現(xiàn)場，其中一個正在進(jìn)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(xiàn)場及板材運(yùn)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(fù)合。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該板材為兩面水泥基板材作為保護(hù)層、有機(jī)涂料作為裝飾層，窗戶與板材預(yù)先復(fù)合后表面覆膜構(gòu)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(nèi)研究現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國建筑節(jié)能工作已經(jīng)取得顯著成效，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已由節(jié)能30%的標(biāo)準(zhǔn)開始，大規(guī)模普及節(jié)能50%，并在全國大量的城市實(shí)施節(jié)能65%及更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，超越建筑節(jié)能概念而進(jìn)一步實(shí)施的綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)也從2005年開始，在全國大量推廣。在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)大幅度提升的同時(shí)，我國建材科研和生產(chǎn)單位也從保溫材料生產(chǎn)、產(chǎn)品應(yīng)用等技術(shù)開展了大量工作，形成了以保溫漿料系統(tǒng)、薄抹灰板材系統(tǒng)和保溫裝飾一體化系統(tǒng)為代表的3代節(jié)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(jié)劑，以聚合物抗裂砂漿為保護(hù)層的復(fù)合系統(tǒng)。該系統(tǒng)提出了外墻外保溫的逐層漸變，柔性釋放壓力的技術(shù)路線，為我國建筑節(jié)能的推廣提供了廉價(jià)的材料，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)較大，難以滿足國家節(jié)能50%以上的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此自2005年開始，在許多地區(qū)已限制使用。2011—2012年，由于受到國內(nèi)幾起嚴(yán)重的有機(jī)保溫板材燃燒的影響，在此基礎(chǔ)上改良的?；⒅楸貪{料由于不燃的天然優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)得到大量推廣應(yīng)用，但隨著2012年12月公安部消防局下發(fā)《關(guān)于民用建筑外保溫材料消防監(jiān)督管理有關(guān)事項(xiàng)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，?；⒅楸貪{料系統(tǒng)又陸續(xù)退出國內(nèi)市場。

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

為解決現(xiàn)場施工質(zhì)量難以保證、施工周期長等問題，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位開始研究集保溫、裝飾一體的干作業(yè)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(jìn)行預(yù)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(yù)先制作的龍骨上，直接形成裝飾面。由貝聿銘先生設(shè)計(jì)的中國銀行總行辦公樓的外墻保溫就是采用的這種設(shè)計(jì)。這種外掛式的外保溫安裝費(fèi)時(shí)，施工難度大，占用主導(dǎo)工期，待主體驗(yàn)收完后才可進(jìn)行施工。在進(jìn)行高層施工時(shí)，施工人員的安全不易得到保障。

從2005年開始，武漢理工大學(xué)、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(jié)構(gòu)形式是保溫材料+保護(hù)飾面材料+粘結(jié)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(chǎn)的薄石材保溫裝飾一體化板材的基本構(gòu)造)[5-9]。這種新型多功能板材是在外墻外保溫技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用工廠預(yù)制生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝工藝，有利于提高建筑工業(yè)化、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的高效節(jié)能

由于一體化板材構(gòu)造是將保溫材料與保護(hù)層材料復(fù)合，其節(jié)能效果的實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上還是原有保溫材料對熱量的時(shí)間衰減效應(yīng)。因此，從節(jié)能效果上看與原有板材系統(tǒng)并無差異。如何提高板材的節(jié)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(yōu)化保溫材料的本體性能提高板材的節(jié)能效果(圖4)[10,11]；另一方面，通過設(shè)計(jì)不同的功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)板材的高效節(jié)能(圖5)[12]。

板材使用過程的節(jié)能效益與板材-墻體系統(tǒng)的構(gòu)造密切相關(guān)。目前的板材-墻體構(gòu)造大體上可包括兩種：一種是無空腔結(jié)構(gòu)的板材-墻體構(gòu)造，這種構(gòu)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(gòu)造，這種構(gòu)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(jié)能角度出發(fā)，后者如對空氣層厚度進(jìn)行優(yōu)化，降低熱對流效應(yīng)，應(yīng)可提高系統(tǒng)的節(jié)能效果，但目前對此方面的研究較少。進(jìn)一步的，有空腔結(jié)構(gòu)由于上下存在空氣壓力差，也可通過空氣對流帶走熱量，實(shí)現(xiàn)夏季的節(jié)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(shí)龍骨、錨固點(diǎn)傳熱和大量的施工縫，在處理不當(dāng)時(shí)容易形成熱橋，而板材與門窗系統(tǒng)的結(jié)合部位、女兒墻等節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均對節(jié)能具有顯著的影響。因此，對龍骨、錨固點(diǎn)和施工縫的處理是板材施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)的方向。

2.2　板材及系統(tǒng)的安全性

與薄抹灰技術(shù)相比，保溫裝飾一體化板材同樣存在安全性問題，主要體現(xiàn)在界面力學(xué)性能和防火安全性方面。由于一體化板材與保溫材料進(jìn)行了預(yù)先復(fù)合，保護(hù)層對保溫材料與外界環(huán)境具有隔離作用，因此與薄抹灰系統(tǒng)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(shù)上看，在保溫材料和保護(hù)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(diǎn)。而與此同時(shí)，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(dǎo)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(jié)或錨固為主，因此，選擇何種施工方式進(jìn)行施工是板材應(yīng)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(jié)構(gòu)弱化了板材系統(tǒng)的抗風(fēng)壓能力，而直接采用粘結(jié)的方法又會影響保溫層的透氣性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的節(jié)能效果和使用壽命，因此必須采用新的施工方案和構(gòu)造措施。

2.3　板材及系統(tǒng)的裝飾性

金屬飾面-聚氨酯板是目前廣泛應(yīng)用的板材，在實(shí)際施工時(shí)由于拐角處二次加工或施工機(jī)具碰撞(圖6)，易造成飾面金屬材料發(fā)生破壞。目前的解決辦法是一方面在保證經(jīng)濟(jì)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(fā)專用的切割機(jī)具和施工機(jī)具，以減少折邊損耗和碰撞缺陷，提高施工質(zhì)量。

同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)表明，即使是極其微小的尺寸偏差也會導(dǎo)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(fā)自動化程度較高的高精度施工方式仍是本領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

因此，為解決目前保溫裝飾一體化系統(tǒng)所存在的各種技術(shù)問題，需要研究相應(yīng)的材料、制備工藝、施工工藝及相關(guān)設(shè)備，為該系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供技術(shù)支撐。

3結(jié)語

能源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，建筑節(jié)能是構(gòu)建國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措；建筑產(chǎn)業(yè)化是減少建筑污染、提高建筑質(zhì)量的有效途徑。節(jié)能裝飾一體化材料是在建筑產(chǎn)業(yè)化背景下發(fā)展新型節(jié)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(chǎn)業(yè)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(gòu)件的案例，但由于國外建設(shè)規(guī)模小，該結(jié)構(gòu)和建造方式是否符合我國材料和建筑發(fā)展方向目前并不明確。

國內(nèi)已有大量的企業(yè)從事節(jié)能裝飾一體化板材的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研究，也制訂了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)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(zhì)量問題等。

因此，未來必須加快研究節(jié)能裝飾一體化板材的應(yīng)用技術(shù)，包括與不同結(jié)構(gòu)的匹配方式，節(jié)能性、安全性與裝飾性的統(tǒng)一，相關(guān)研究工作將促進(jìn)我國新建建筑和既有建筑的節(jié)能改造的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

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