超低能耗房屋与酚醛泡沫防火保温材料

殷宜初 / YIN Yichu

超低能耗房屋与酚醛泡沫防火保温材料

殷宜初 / YIN Yichu

1 前言

未来5年仍是中国工业化、城镇化继续推进的阶段，要继续保持各个部门能耗强度呈明显下降态势的难度也将明显增加。我国建筑能耗为发达国家的3倍，约占我国总能耗的30%。因此我国政府必须狠抓建筑节能工作，大力推广应用国外房屋设计和绝热保温新理念，才能大幅度降低建筑能耗。超低能耗房屋作为欧洲近年来发展绝热保温新理念而实现的重大创新改革，使建筑节能达到了最低碳排放，甚至零排放的先进水平。

2 超低能耗房屋

超低能耗房屋（Passive House，或称无源房、被动式房）由德国专家沃尔夫冈·法伊斯特（Wolfgang Feist）在1988年首次提出，这类房屋不采用中央空调或外来热电进行取暖或制冷（因此称其为无源房比被动式房更为合理），主要理念是使热量的传递、对流和辐射在整座建筑设计上更为合理，尤其是使用超厚高效保温材料，与3层隔离窗、自动通风、热回收系统等配置结合，最大限度地降低能耗，使房屋处于恒温恒湿状态，保持室内的新鲜空气，让房屋始终处于冬暖夏凉的舒适环境中。超低能耗房屋的能耗极低，其标准是每年低于15kWh/m2，仅为传统房屋的10%。因此未来建筑节能的奋斗目标应是超低能耗房屋（图1）。

世界上第一批超低能耗房屋建于1990年，是位于德国达姆施塔特（Darmstadt）的四排连体房屋。沃尔夫冈·法伊斯特随后于1996年建立了被动房研究所（Passive House Institute，PHI），到2010年世界上已建成约25 000栋房屋，主要分布于德国、奥地利和欧洲其他国家。美国于2003年才建成第一座超低能耗房屋。世界上第一栋旧房改造成的超低能耗房屋位于爱尔兰，建成于2005年并获得认证许可。而美国第一栋约240m2旧房改造成的超低能耗房屋位于加州，在2010年7月建成并获得认证。

2010年上海世博会德国专业馆——汉堡之家，就是一座运用最新超低能耗房屋设计、采用高效超厚保温材料与环保技术建成的绿色建筑。这种建筑隔热性能极好，能耗极低，不需依赖外部蒸汽或电力供应能源，冬天仅依靠太阳能或地下热源以及人体散热即可保暖。据汉堡之家的建筑师称，德国已在2010年秋季建成现代化的超低能耗高层建筑——德意志银行（图2）。

图1 超低能耗房屋设计示意

近年来我国朗诗等地产商通过运用大量超低能耗技术，使超低能耗房的综合保温性能已达普通节能住宅的4倍，大大降低了建筑能源消耗，每年将为业主节约大量的能源开销费用。2010年2月5日，

苏州朗诗国际街区荣获建设部“绿色建筑三星标识”，这是目前中国最高标准的绿色建筑认证。

图2 德国超低能耗高层建筑——德意志银行

我国建筑能耗约占全国总能耗的30%以上，预计到2020年，房屋在建造和使用过程中的能耗将占社会总能耗的40%。建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾、改善环保条件、减轻环境污染、促进经济持续发展的一项直接、廉价的系统工程，而房屋隔热是这一工程中的重要一环。根据《建筑节能“九五”计划和2010年规划》，现有城镇建筑需进行节能改造的建筑约100亿m2，仅屋顶隔热材料每年就需消耗1亿多m2，如果所有建筑都能达到超低能耗房屋的标准，即每年低于15kWh/m2，这将对国家和人民做出多么了不起的贡献！

3 超厚高效的墙体保温材料

超低能耗房屋只有依靠超厚高效的墙体保温材料才能实现隔绝热量，无机保温材料早在10年前因生产过程耗能高、导热系数大、吸湿性高、节能效果差，以及对人体皮肤刺激和易致矽肺等原因，无法作为使建筑节能达到65%的主体保温材料而被淘汰出市场，以后十多年在建设部门的推动下采用节能效果更好的膨胀聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫（Extruded Polystyrene，XPS）、聚氨酯泡沫（Polyurethane，PU）等材料，用于薄抹灰外墙外保温系统，对多层和高层建筑群进行大规模节能改造，这3种保温材料节能效果虽可达65%，但也大大增加了火灾隐患。

EPS、XPS、PU均属有机保温材料，最大的优点是质轻、保温、隔热性好，最大的缺点是防火、安全性差，易老化、易燃烧。燃烧时烟雾大、毒性大。特别是EPS泡沫、XPS泡沫，耐火性极差，在80℃以上就软化变形熔融滴落。因此，在欧美等发达国家，重要建筑和高层建筑一般都要求对其保温系统和绝热材料进行燃烧性能和耐火极限试验并划分等级。不同等级的系统和材料适用不同范围的建筑防火要求。到目前为止，EPS板薄抹灰外墙保温系统由于涉及严重防火问题，在美国有20多个州禁止使用；在英国，18m以上建筑不允许使用；在德国，22m以上建筑不允许使用。

2009年2月9日发生的央视大火，已经暴露了外墙保温材料的易燃问题。当时央视大楼使用的外墙保温材料是XPS，它遇火熔化后会产生滴落物，滴落物会由下向上形成烟囱效应引发更严重的立体式燃烧，并迅速蔓延到整个大楼。因此使用易燃外墙保温材料的高层建筑一旦着火几乎不可扑救。由于EPS、XPS保温材料会导致火灾蔓延极快，2011年2月3日沈阳第一高楼万鑫酒店的大火从10层烧到37层总共不到5分钟。而PU虽然是热固性材料，遇火不会熔化滴落，但PU着火后的烟雾毒性大。根据对2010年11月15日上海胶州路火灾事故分析，90%以上人员伤亡的主要原因是PU在燃烧过程中释放出大量含有氰化氢等的剧毒烟气。火灾中PU材料烧起来黑烟弥漫，大部分遇难群众在吸入一两口烟气后就立即死亡。上海火灾发生后，公安部消防局副局长朱力平公开表示：从大多数火灾来看，聚氨酯泡沫等易燃装修材料已经成为当前火灾中群众遇难的罪魁祸首。不解决中国建筑节能保温技术系统中的泡沫保温材料以及整个建筑保温的防火安全问题，中国诸多建筑节能工程将留给后人无法回避的建筑火灾大隐患。一位有30年灭火经验的消防局人士说：“如果不在材料上杜绝隐患，一定会再出现上海胶州路大火这样的悲剧”。中国城市以多层和高层为主建筑群居多，城市人口高度密集、建筑群密集，大面积使用可燃、易燃泡沫作为保温层，不管是在室内还是室外，均存在火灾隐患。

事实上，这几年确如消防局人士所预料的“可燃、易燃材料不断，建筑火灾不断”，其中很多火灾是由于使用可燃、易燃泡沫造成的。2014年11月1日中央电视二台放映了名为“要命的外墙保温层”的节目，节目通过大火模拟试验对酚醛泡沫与其他可燃易燃泡沫进行对比，其中EPS和加了阻燃剂的EPS在30s后浓烟滚滚一烧而尽，而酚醛泡沫表现出了面皮略有炭化而芯部完好的难燃性能。

4 第三代保温材料

1980年代，国外科学家通过对酚醛树脂及其制品进行研究，发现它们具有突出的难燃、无烟、无毒特性（Fireproof，Smokeless，Toxicity Free，简称FST特性）。其制品酚醛泡沫（Phenolic Foam，PF）的难燃程度是PS和PU所远远不及的。厚仅30mm的PF平板经受1 700℃火焰喷射10min后，仅表面略有炭化，既不燃烧也不散发浓烟和毒气。

1990年代以来，包括PF在内的酚醛复合材料得到很大发展，首先受到英、美等国家军方的重视，将其用于航天航空、国防军工领域。例如波音飞机通过在舱壁夹层中使用PF保温，使其在-50℃的10 000多m高空仍能保证舱内乘客处于舒适安全的环境。后来PF又被应用于船舶、车站、油井等防火要求严格的场所，并逐步推向医院、体育设施和大楼住房等公共与民用建筑领域（Louis Pilato，2010；殷宜初，2004；Yichu Yin，2009；Yichu Yin，Xiaotian Pan，2011）。

PF由于导热系数低，相比传统的保温材料如岩矿棉、玻璃棉及膨胀珍珠岩等，其节能保温性能高约1倍。人们公认其节能保温性能居于所有保温材料之首，也有人称其为“保温之王”或“第三代保温材料”。从表1可见，膨胀珍珠岩保温层厚度需60mm，而PF只需25mm就可达到同样的保温效果。

5 国外PF外墙外保温应用实例

近年来作者在参加国际会议、考察或技术交流期间对PF也做了调查研究，下文就欧、美、日等若干具有代表性的PF生产厂商的产品和应用进行介绍（殷宜初，2010；2011）。

（1）英国金斯潘（Kingspan）公司是世界上最大的PF生产厂家之一。它的PF商标名Kooltherm，根据用途不同分成10个牌号。其中K5 EWB是外墙外保温专用泡沫板，1980年金斯潘公司就开始进行外墙外保温的应用，据称该公司目前每月向客户提供K5 EWB约15万m2（Kooltherm，2010）。

表1 各种保温材料绝热性能比较

2011年7月由作者组成的考察团参观了曼彻斯特湖滨开发区的4栋公寓大厦，该公寓于1961年建成，2006年进行保温改造。金斯潘公司提供了K5 EWB泡沫板，这是既有高层建筑旧房改造工程的典型成功案例。考察团又在伦敦郊区哈姆莱茨（Hamlets）参观了一处高层建筑旧房改造工地，3栋住宅高楼正好处于改造前、改造中和改

造后的情景，使人一目了然。考察团还现场参观了伦敦市区在建的高层新楼PF保温系统施工全过程（图3）。

英国建筑界在位于沃特福德（Watford）知名的BRE（Building Research Establishment）创新园区，用最新设计理念和材料建成了超低能耗房屋和绿色生态环境。园区里有十多栋样板房被BRE评为可持续性绿色安全建筑并获奖。其中一栋绿白相间的3层楼房，其外墙和屋顶都是用超厚金斯潘酚醛泡沫做保温材料，并达到零碳生态建筑标准，获得了2007年英国住房大奖（图4）。这种被人们称为“21世纪未来绿色之家”的生态房屋设计，已被推广到欧洲大陆。

在中英双方会议交流中，多次提到建筑消防安全设计和防火标准规范问题，英方介绍金斯潘酚醛泡沫能达到BS 476-6和BS 476-7①等英国标准燃烧等级中的零级要求。对于高层建筑，英方规定18m以上的建筑不准用EPS等易燃或可燃材料，PF必须通过BS 8414大火模拟试验方可用于任何高层建筑，其保证使用期为30年，自然寿命60年。目前PF在民用和公共建筑中的应用约为60%，已占首位。

通过这次考察，我们了解到近年在英国政府部门的大力支持和推动下，用于建筑墙体上的PF以每年50%的增长速度发展。英国的先进技术，尤其是英国的外墙外保温系统施工技术和标准规范，特别值得我们学习和借鉴。“他山之石，可以攻玉”，我们相信我国PF行业在政府部门的大力支持和推动下也会得到很大发展。

（2）英国普玛洛克（PermaRock）制品公司以生产PF及矿棉等外墙保温板而知名。普玛洛克制造的PF保温板的尺寸为900～1 200mm×600mm，最厚不超过100mm。导热系数为0.018W/m·K，防火性能达到BS476-7的零级。该公司经多年的开发研究，按照英国标准制定并实施了一套完整成熟的施工应用技术体系规范，在1990年代就成功地将PF保温板应用在砖石、混凝土、木框架、金属框架的墙体上。保温工程系统评定其使用寿命可超过30年，专家预计可达到建筑全生命周期寿命，且无论新的或既有的建筑、高层或低层建筑都可应用。

经过检测试验和评审，有关建设部门在1997年2月授予了该公司“普玛洛克酚醛外墙保温系统”应用许可证（证号：041/97），确定可适用于砖石，表2为普玛洛克酚醛外保温系统试验结果。

（3）美国西碧（C.P.）化学公司建立于1966年，多年来主要从事于酚醛树脂、表面活性剂、催化剂及相关发泡设备的生产销售和研究开发（Tripolymer，2010）。30多年来该公司致力于开发一种名为“Tripolymer”的PF，1975年得到了美国能源部的支持和认可，经过3年的深入研究和试验，成功地将其推入市场。如今公司在美国国内已有8个生产厂，在英国、德国和澳大利亚也建立了工厂。36年来已在新建或既有的民用和商用建筑上共装配了3.9亿平方英尺（约0.36亿m2）的Tripolymer。据称在“911”事件中被毁的纽约世界贸易中心也曾用它作为墙体保温材料，当大楼被撞起火，由于酚醛的难燃性，推迟了坍塌时间，因而减少了伤亡人数。此外，在美国各地沃尔玛（Wal-Mart）大超市、万豪（Marriott）大酒店和会议中心等知名建筑中都曾用过。值得一提的是在25年前用于水泥砌块中的Tripolymer至今仍无损坏现象。

近年来西碧公司又开发了一种直接将发泡浆料通过喷枪现场喷注到空心砖或中空水泥砌块中的专利技术，发泡浆料是改性酚醛树脂共聚物与固化剂的双组份Tripolymer预聚体。

由于Tripolymer具有最好的防火性和隔音性，它已广泛用于学校、医院和民宅。根据美国标准《燃烧级别测试准则》（ASTM E-119），没有其他能现场喷注的有机泡沫可达到Tripolymer优良的防火性能。

图3 伦敦在建高层PF保温系统施工现场

表2 普玛洛克酚醛外保温系统试验结果②

图4 BRE创新园区中的“21世纪未来绿色之家”

（4）日本旭化成（Asahi）建材公司多年来对PF保温材料进行了深入研究开发，近年来推出了商标名为新曙光（Neoma）的PF新产品（Neoma，2011）。在生产过程中，发泡剂采用碳氢化合物代

替会破坏臭氧层的CFC（氟氯烃）、HCFC（含氢氯氟烃）。新曙光PF保温板已通过日本、中国和英国的防火等各项试验，达到了日本标准《燃烧性》的技术指标（JIS D1201），得到日本不燃材料认定证书（证书号：NM-0315），并且获得了日本经济产业厅和环境厅的节能和环保大奖。

新曙光由直径不到100um的微小气泡构成，泡沫板表面细腻光洁（图5），表观密度只有27kg/m3，相比之下，XPS和PU的气泡要大得多。

据称新曙光PF保温板2012年已在木结构房屋墙体上占有日本市场的1/2。该公司正在大力推广其在混凝土外墙、屋面、天花板、地板和隔墙等的保温应用，并已制定了相应的施工技术规范（图6）。

6 我国PF行业现状和未来

虽然我国目前生产的PF与国外相比，在工艺技术和施工应用上还存在一定差距，但近年来我国PF行业发展很快，到目前为止，国内已建有全自动连续化生产线300条。据统计，2012年外墙外保温用酚醛板产销为1 320万m2，比2011年产销1 020万m2增长29.4%；2013年产销1 584万m2，比2012年增长约20%（张德信，2013）。在提高防火性能方面，国内已有多家企业研发的复合型PF板，经过国家防火建筑材料质量监督检验中心的检测其燃烧性能达到GB8624 A级。这说明PF作为一种安全、绿色的新型节能建筑材料，其优点已经得到越来越多建设部门和公安消防部门人士的认可。值得关注的是：近年来我国有关科研单位和企业在酚醛树脂改性和发泡技术方面已有了新的突破，一是克服了PF粉化掉渣、脆性大和强度低的缺点；二是PF的成本更接近EPS，市场竞争力更强；三是产品的pH值接近中性，对金属无腐蚀性。近年来经过专家严格评审，并经有关建筑建材业市场管理总站批准，有些厂家已经推出PF板外墙外保温系统关于设计、施工和验收等相关方面的应用图集和标准，并且已完成1 000多万m2的外墙外保温工程实例，为PF在墙体保温市场的发展带来了新的曙光。

图5 新曙光（左）与XPS（中）、PU（右）泡孔微观结构

图6 新曙光在混凝土外墙外保温干挂法施工工艺

节能建筑的建设前提是安全，离开安全，建筑也就失去了其存在的意义。只有杜绝可燃、易燃、危险的保温材料在建筑墙体上的使用，才能从源头上遏制重大火灾事故的发生，PF作为墙体保温材料，不失为减免火灾和降低火灾危害的最有效办法。我们深信：不久的将来，新一代保温材料酚醛泡沫一定能成为建筑节能的主力军。我们更期待PF能在超低能耗高层建筑中做出更大的贡献，让天下老百姓都能安居乐业，住上安全舒适的房屋。

注释

① 建筑材料产品燃烧火焰传播试验——英国标准。

② 普玛洛克（PermaRock）外墙保温系统相适应的标准试验方法和规范如下：（1）BS 476 Part6: 1989建筑材料和构造的燃烧试验：产品火焰传播测试方法；（2）BS 476 Part7: 1987建筑材料和构造的燃烧试验：产品的火焰表面蔓延分级测试方法；（3）BS 874: 1973绝热术语的定义与测定绝热性能方法；（4）BS 5250: 1989建筑物内冷凝控制实施规范；（5）BS 5262: 1991外表抹灰实施规范；（6）BS 5628 : Part 3用于砖石建筑实施规范；（7）BS 6399: Part 2:1995建筑物负荷：风负荷实施规范；（8）BS 8000: Part 10:1995建筑工地上工艺技巧：墙面抹灰实施规范；（9）BS 8104: 1992墙体暴露在风吹雨淋中评估实施规范；（10）BS 8200: 1985建筑物无承重外垂直围墙实施规范；（11）BS EN ISO 9002: 1994质量体系：生产、安装、服务的质量保证。

[1] Louis Pilato. Phenolic Resins: A Century of Progress. Springer [J], Heidelberg, 2010.

[2] 殷宜初.国内外酚醛泡沫的开发与应用[J].新型建筑材料，2004（10）.

[3] Yichu Yin. Fireproof Phenolic Foam in Building Applications[J]. Micromaterials and Nanomaterials. Berlin. 2009 (11).

[4] Yichu Yin, Xiaotian Pan. Future in Phenolic Composites and Applications. 3rdInternational Symposium on Network Polymers (Proceedings) [C].Toyahashi, Japan，2011.

[5] 殷宜初.新型防火节能轻质墙体材料-酚醛泡沫彩钢夹心板[J].保温材料与节能技术，2010（2）.

[6] 殷宜初.防火节能兼优的墙体保温材料-酚醛泡沫[C]//住房和城乡建设部建设环境工程技术中心.全国建筑外墙外保温工程防火技术研讨会论文集.成都，2011.

[7] 殷宜初.酚醛泡沫在墙体保温中的应用[J].城市住宅，2011（7）.

[8] Kooltherm. Kingspan Insulation Ltd. Technical Information. 2010.

[9] Tripolymer. C.P.Chemical Company. Technical Information. 2010.

[10] Neoma.AsahiKASEI. Technical Information. 2011.

[11] 张德信.2013年绝热节能材料行业经济运行分析[C]//中国绝热节能材料协会.中国绝热节能材料协会年会论文集.北京，2013.

2015-01-06

ULTRA-LOW-ENERGY BUILDING AND PHENOLIC FOAM FIREPROOF INSULATION MATERIAL

人类正面临着全球气候越来越暖、CO2排放量越来越严重、传统化石能源越来越紧缺的危机，世界各国越来越重视和积极推广超低能耗房屋，这也是改善全球气候变暖、节能减排的重要措施之一。本文介绍了酚醛泡沫的防火节能特点和国内外有关企业将其用于节能建筑墙体保温系统的标准测试方法和发展情况，及其进入超低能耗房屋的绝热保温体系的前景。

Human beings are face with such crisis as a warmer and warmer global climate, an increasingly serious CO2emission and the shortage of traditional fossil energy. Countries all over the world are paying more and more attention to popularizing the ultra-low-energy building, which is also one of the important methods to improve the global climate and to reduce energy consumption. This paper introduces the freproof insulation characteristics of the energy-saving phenolic foam and its development of the wall insulation system applied in the building wall. It also elaborates the standards for the test method made by the enterprises at home and abroad, and the prospect of the insulation system of the ultra-low-energy building.

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殷宜初，上海市合成树脂研究所原总工程师，教授级高级工程师；美国尖端材料技术协会（SAMPE）国际理事