被动式超低能耗建筑外墙外保温系统的阶段性应用问题及技术尝试

熊少波 高 娴 / XIONG Shaobo, GAO Xian

图1 水蒸汽渗透值与吸水系数的关系

图2 外墙外保温系统匹配性

被动式超低能耗建筑是通过提高建筑整体保温隔热性能来降低供暖和制冷能耗需求的新技术体系，以提高外围护结构保温性能、采用高效新风热回收技术等为主要支撑。其中，安装于建筑外墙外侧的外墙外保温系统（一般由粘结层、保温层、机械保温锚固件、抹面层、饰面层组成），是避免热传导热损失的最关键环节，特别是通过与保温门窗相结合，可有效阻断室内外热量传递，是达到超低能耗最关键的核心技术。

2008年，在住房和城乡建设部（以下简称“住建部”）与德国交通、建设和城市发展部（Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung，BMVBS）、德国驻华大使馆的支持下，住建部科技与产业化发展中心联合德国能源署成立战略性工作小组，合作开展“中国被动式低能耗建筑示范项目”，至今已有部分符合我国国情的被动房和低能耗建筑示范项目建成并投入使用，但由于产品质量良莠不齐、设计忽略建筑物理因素及施工工艺和工人专业度不够等原因，仍存在外墙外保温湿热负荷设计不当引起服役期质量问题频发、耐久性低、以保温板替代外墙外保温系统而忽略系统整体性、外保温系统与现行设计规范及建造方式的拟合度低等阶段性应用问题及瓶颈。本文重点分析这些典型问题的关键原因和技术难点，并以实际项目为例，针对性地提出适宜技术路线、设计方法和构造体系。

1 阶段性应用问题

目前我国被动式超低能耗建筑的外墙外保温系统技术，由于外保温集成技术水平及防火政策的限制和影响，存在以下几种应用问题。

1.1 外保温系统的湿热负荷和耐久性能有待提高

由于被动式超低能耗建筑的实际使用寿命较长，其外墙外保温系统需在周期性热湿和热冷环境条件下正常工作。目前，国内很多常见的外保温系统并不适合在被动式超低能耗建筑上使用。例如，（1）发泡水泥板和发泡陶瓷板外保温系统导热系数高使得厚度增加、自重大、存在安全隐患，材料脆性大且无法锚固；（2）挤塑板（Extruded Polystyrene，XPS）外保温系统弹性模量大、容易变形、吸水率低导致其与粘结剂及抹面胶浆的粘结力低、尺寸稳定性差导致厚度受到限制；（3）现浇混凝土复合聚苯板钢丝网架板外保温系统无法彻底消除热桥；（4）胶粉聚苯颗粒保温浆料或无机保温砂浆外保温系统导热系数高且最大厚度不得超过40mm；（5）真空绝热板外保温系统真空度的长期稳定性低，且真空度下降会导致外墙膨胀、无法彻底消除板缝热桥、无法机械锚固及现场切割。这也再次验证了何以外墙外保温技术经过50多年发展和创新后，膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统和岩棉薄抹灰外墙外保温系统仍然几乎占据了欧洲所有的被动式低能耗建筑外保温应用市场。

尽管我国的五大热工设计气候分区与欧洲有所差别，但温度变化引起热胀冷缩，湿度变化引起湿胀干缩，基于建筑物理的建筑温度和湿气变化同样会影响整个外保温系统服役寿命周期。

其中，水蒸汽渗透值与吸水系数之间的平衡关系，是影响外保温系统湿热负荷的关键因素之一（图1）。水蒸汽的渗透动力来源于维护结构内部和外界的湿度差。由于建筑物内外的温、湿度不同，使得建筑维护结构两侧的水蒸汽压力不同，最终会达到平衡。水蒸汽总是从压力较高的一侧向压力较低的一侧迁移，通俗地说，也就是从热的一侧向冷的一侧迁移，这个过程称为水蒸汽的渗透，也称之为透气性，其实是水蒸汽的扩散能力。为更准确地描述外墙外保温系统内部不同厚度组成层的水蒸汽透气性，将材料的水蒸汽渗透阻力μ与该材料层的厚度d的乘积称为该材料水蒸汽渗透值（SD，单位：m）。饰面层与加固层共同组成外墙外保温系统的防水层，需同时满足透气性与防水性的要求，要求等效水蒸汽渗透阻力不超过2m，且在500Pa的水压下保持2h内保温系统背面无透水现象。材料的水密性过高或者透气性过高均不适合作为外墙外保温系统的饰面层，而高质量、匹配性好的外墙外保温系统必须找到“水密性－吸水性－透气性”三者的平衡点，相互平衡、相互匹配。即水密性和透气性这一对矛盾是通过吸水率来平衡的。外墙外保温系统标准中对饰面层和加固层共同组成的防水层的性能指标进行了限制，要求其24h吸水率不超过0.50kg/m2。

1.2 外保温系统的整体作用有待提高

外墙外保温系统是统一的有机整体技术解决方案，而不是一种可以通过购买外保温系统中各部件自行安装的工业产品（图2）。现有被动式超低能耗建筑的外保温结构，基本上没有选择具有长期外墙外保温系统研发和工程经验的系统供应商，部分项目仅选择某一个部品件供应商或施工队伍自行组装。外墙外保温系统各关键组分的缺失或组分不匹配，将导致被动式超低能耗建筑需要长期维修且运行成本增加。例如，外墙外保温系统缺少系统配件（如预压密封带、门窗连接线条和滴水线条等成品配件），将导致外保温系统与门窗、穿墙管道及构件部位存在渗漏隐患，长期被水侵蚀会使保温材料严重失效，室内制冷或制热能耗长期偏高且超温频率远大于被动房的设计阈值，进而导致建筑长期面临高额的运行成本；若外保温系统不匹配将导致系统封闭，面层涂层无透气性，系统中会因冷凝效应产生凝结水，内部水汽积聚在系统内部无法扩散出去，破坏系统并降低其保温效果，进而导致饰面层气泡、鼓包或水汽渗漏至建筑内部，使被动式超低能耗建筑面临长期维修的问题，无耐久性可言。

图3 被动式超低能耗建筑外保温系统（黄色阴影部分）

1.3 外保温系统与现行设计规范及建造方式的拟合度有待提高

首先，如何在满足国内严格的建筑防火规范的同时选用可实现被动式超低能耗建筑保温效果的外墙外保温隔热系统？一个完整的外墙外保温系统应具有6大基本功能，即节能保温、使用安全性、耐久性、火灾情况下的安全性、卫生健康和环境性能，其中防火和保温是一对需要调和的矛盾。岩棉外墙外保温系统燃烧等级为A级，但缺乏在被动式超低能耗建筑中超厚、超高系统大量应用的案例和科学数据，缺少在湿热耦合环境下节能效果的长期性数据；石墨聚苯板外墙外保温系统中石墨板的燃烧等级为B1级，但等效保温效果比岩棉板高20%以上且无火灾案例。

其次，如何采用最小化的热桥构造并确保高层建筑的安全性？为满足最小化热桥构造，外立面粘贴单层或双层构造，确保最小保温厚度满足外墙整体传热系数不超过0.15W/（m2·K），同时辅助断热桥锚固件以确保偶然负风压荷载下的安全性，其单个锚固件热桥不超过0.001W/（m2·K）。因此，经过阶段性应用发现，外立面粘贴双层保温板并辅以沉入式锚固件进行机械固定的方式，是避免热桥和满足高层建筑安全性的有效途径之一。

第三，装配式建筑结构体系中的保温和超低能耗建筑构造如何克服施工难点？装配式建筑构造体系多采用“三明治”式夹心保温形式，无法彻底避免梁、柱等部位的热桥，随着低能耗向超低能耗、近零能耗和产能建筑迈进，其夹心保温层将逐渐增厚，给装配式建筑结构体系带来热桥问题的同时，还会导致安全性和气密性问题更加突出。

综上，亟需寻求适合被动式低能耗装配式建筑的保温体系（图3）。

2 适宜技术路线

被动式超低能耗建筑外墙外保温系统在我国发展最大的难点是如何选择适宜国情的技术路线。目前仅有部分试点项目，缺乏在我国五大气候区域大体量应用技术和施工技术的经验积累，工程实践中面临的许多技术问题难以借鉴和照搬欧洲现有的经验和方法，需要中外专家联合，探索出经济适宜的解决方案。

2.1 建立整体性设计方法

被动式超低能耗建筑热工计算和能耗计算非常重要，是被动房设计的基础。其无热桥和良好气密性的特性使建筑的失热得热可以被准确地计算出来。近年被动式超低能耗建筑案例证明其计算结果与实际能耗情况非常吻合。被动式超低能耗建筑的热工性能，应按现行国家标准《民用建筑热工规范》（GB 50176－2016）进行内表面温度、结露和隔热等热工性能计算；并根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 59736－2012）规定的方法进行采暖负荷、采暖需求、制冷负荷、制冷需求、采暖一次能源需求、制冷一次能源需求以及总一次能源需求计算。计算结果可以帮助设计师正确选择建筑构造，决定窗的性能与保温材料的厚度，设备选型等等。计算结果是否准确依赖以下3个因素：一是计算方法正确；二是使用的数据正确，包括温度、太阳、湿度和材料性能等40多个数据库；三是使用工况参数设置正确。

因此，建立一套类似PHI（Passive House Institute，德国被动房研究所）提出的整体设计方法，对推动被动式超低能耗建筑在各气候区的应用具有十分重要的意义。

2.2 提高关键产品的综合性能

提高关键产品的综合性能，是被动式超低能耗绿色建筑外墙外保温系统适宜性解决方案的重要环节，如既符合无热桥的设计和防火规定，同时满足外保温系统性能指标的石墨聚苯板；在整体系统中既满足节能效果，又满足长期耐久性的门窗连接线条、预压密封带、滴水线条、透气膜/隔汽膜等附件。

石墨聚苯板的原材料即石墨/改性可发性聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS），由德国化工企业巴斯夫集团（BASF）最早发明，采用悬浮聚合法和挤出聚合法生产而成。石墨改性可发性聚苯乙烯由于添加了红外吸收剂能更好地吸收、反射热辐射，从而极大地提高材料的保温隔热性能，板的导热系数在0.032～0.034W/（m·K）之间。在同样的密度和厚度下, 石墨聚苯板比常规的EPS拥有更低的导热系数（λ值）；同等密度条件下，达到与常规EPS同样的λ值，其厚度可以降低20%左右。

门窗连接线条材料为塑料，防水防雨，附带自粘性白色塑料粘结线条，自带密封条（15×4mm）以及网格布（宽度25cm），防水强度600Pa，用于被动式超低能耗建筑外墙外保温系统中门、窗连接部位，构建无裂纹的柔性防水连接。

预压密封带是一种预压类自膨胀密封带，由耐候PU软泡沫类防水材料制成，适用于2mm以上缝隙，按所适合缝隙宽度进行分类，防水强度通常为300～600Pa。用于被动式超低能耗建筑中各类缝隙的构造防水。

滴水线条由高耐久性塑料线条生产而成，两面带有加强网布，用于被动式超低能耗建筑门窗洞口上边沿、阳台部位以及建筑物檐口，减少立面污水流入屋檐部位，使表面污水泛出立面，可有效减少墙面受水流污染的风险。

透气膜/隔汽膜用于被动式超低能耗建筑门窗和墙体之间的接缝，具有延展性、防水及透气性能，通过自粘胶带和专用粘结剂实现有效粘结：一边有效地粘结在窗框（或副框）上，另一边通过兼容性极强的专用粘结剂粘结在墙体上，真正实现防水密封。

图4 石墨聚苯板薄抹灰外墙外保温系统

图5 岩棉薄抹灰外墙外保温系统

图6 “山水龙庭”27#住宅外景效果

2.3 提高施工及后期维护水平

根据近10年的被动房项目实践可以看到，目前主流的外墙外保温技术路线为石墨板薄抹灰外墙外保温系统（图4）和岩棉薄抹灰外墙外保温系统（图5）。但外围护结构最终的质量仍取决于3个因素：计划与设计、产品、施工。其中，计划与设计包含保温热工计算、无热桥设计、细部节点设计、防火构造设计、气密性设计等；产品包含各组成材料、经第三方认证的系统材料、高效的系统配件等；施工包含成熟的施工技术方案、经专业培训的施工队伍、有经验的施工组织与管理等。

粗放式施工是建造被动房的大忌。在我国现阶段国情下，被动房施工存在一个重要的客观不利因素，即以农民工为主的施工工人承担了对被动房性能影响较大的安装工程，而这些工人又处于高流动状态，如果施工管理不到位，某些工程质量就难以保证。

在工地检查过程中发现的一些常见施工质量问题，包括：墙面水泥砂浆没有抹到地面、保温板铺装形成的缝隙较大、女儿墙与盖板没有钉牢固、外窗没有做好施工保护、外墙外保温系统中网格布外露，等等。

3 案例应用与关键技术分析

笔者所在的企业作为国内最早从事被动式超低能耗建筑外墙外保温系统的系统集成商之一，主要提供被动式房屋用外墙外保温系统、屋面保温防水系统、透气膜/隔汽膜、楼地面隔声系统等，并参编了《被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑》（16J908-8）等一系列被动式房屋保温系统相关的标准与图集。本文从已完成的被动式超低能耗建筑试点项目（覆盖了北京、雄安、河北省、河南省、山东省、江苏省、浙江省、湖南省等省市的住宅、商业、学校等不同形式和用途的建筑）外墙保温系统的应用案例中，选取部分案例结合关键性技术进行分析。

3.1 日照“山水龙庭”27#住宅

作为山东省首个中德合作“被动式房屋”示范项目（图6）和2014年住建部国际科技合作计划项目，日照市的“山水龙庭”住宅项目被列入山东省超低能耗绿色建筑试点示范项目，获得了中德合作高能效建筑——被动式低能耗建筑质量标识（图7）。

“山水龙庭”27#住宅建筑依照被动式房屋标准设计，总建筑面积5407m2，相比于65%节能的房屋，它可节约标煤15.3t /年，减少CO2排放42.4t /年，节省采暖费约10.7万元/年，经济效益显著。

图7 被动式低能耗建筑质量标识

图8 首堂•创业家项目外景

3.2 首堂•创业家展示中心及别墅样板房

作为中国目前最大的被动式超低能耗绿色建筑，首堂·创业家项目位于唐山市曹妃甸新城大学城，总占地面积约17.67万m2，建筑面积28.63万m2，它将被动房与智能化完美结合，被评为住建部2017年被动式超低能耗绿色建筑科技示范项目（图8）。

该项目引进德国先进的被动房技术，不需要市政供暖和空调制冷等设备，仅通过专项定制的五位一体机，就实现了室内恒温、恒湿、恒氧，有效过滤PM2.5高达95%以上。除此之外，整个建筑具有较高的气密性，隔音降噪效果显著，整体节能率达到90%以上（图9）。

3.3 山东城市建设职业学院实验实训中心——南楼

山东城市建设职业学院实验实训中心南、北两楼通过连廊连接，总建筑面积21 428.67m2，其中地上建筑面积20 963.38m2，地下建筑面积465.29m2（图10）。

该项目是山东省中德合作被动式超低能耗绿色建筑示范工程之一，并列入住建部科技计划项目及省级被动式超低能耗绿色建筑试点示范项目，获得省级财政资金支持。项目建筑面积规模居山东省中德合作被动式超低能耗绿色建筑示范工程首位，同时也是目前国内最大的单体实验实训项目。该项目设计符合绿色建筑一星级标准，工程质量符合国家及相关行业验收标准，满足《关于加强省被动式超低能耗绿色建筑示范项目管理的通知》（鲁建节科字[2015]9号）的有关规定。

3.4 雄安万科被动房茶室

作为未来标杆之城的雄安，主张以先进的理念和国际以一流的水准进行城市设计，塑造新时代城市风貌，建设绿色智慧新城。2017年，万科集团与住建部科技与产业化发展中心签订了《全面推进城乡建设领域绿色发展研究及推广合作框架协议》，根据协议，双方将共同在全国打造高等级绿色建筑、装配式建筑以及规模推广被动式超低能耗建筑等试点示范项目。

作为雄安新区的首个被动式低能耗建筑示范样板工程（图11），被动房茶室项目采用优质的外墙保温系统材料进行精细化的施工，并在建筑的基层墙面、门窗洞口及穿墙管道等部位运用了美国杜邦①防水透气膜和防水隔汽膜，使建筑外围护结构成为一个密闭的空间，进一步提高了建筑的整体气密性。

图9 项目运行时的监控数据及对比

图10 山东城市建设职业学院实验实训中心南、北两楼外景

上文列举的4个被动式超低能耗建筑经典工程案例外墙均选用了220～250mm厚石墨板或膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统，屋面及楼地面则选用高强度的挤塑板保温系统，在外墙和屋顶部位同时设置相同厚度的岩棉防火隔离带，以满足《建筑设计防火规范》（GB50016－2014）的要求，外保温系统通过合理的构造形式对整个建筑实行连续的包裹。超厚的双层石墨板提升了外墙的保温隔热性能，内外错缝铺贴避免了传统单层板施工形成通缝导致的能量散失问题。门窗连接线条、预压密封带、滴水线条等配品配件的使用使保温材料与门窗框、成品窗台板、穿墙管道及其他预埋件紧密连接，降低了洞口开裂、墙体结露及渗漏的风险。隔汽膜和透气膜的使用确保建筑围护结构为密闭空间，进一步提高了建筑的整体气密性。

在项目建造过程中，严格遵循“无热桥的设计与施工”原则，尽可能地避免破坏或穿透外围护结构。旋入式安装断热桥锚固件在提高外墙外保温系统安全性与可靠性的基础上，避免了传统保温系统中使用膨胀型锚固件在锚固位置形成重要的“热桥”和渗水风险点，此外，同时保证了外保温系统表面的完整性和平整度。当管线等必须穿透外围护结构时，在穿透处增加孔洞直径，保证留有足够的间隙填充密实保温材料。隔热垫块使埋入保温层的金属构件与基层墙体形成隔离，将面热桥降低为点热桥。

同时，采用与保温系统具有良好相容性且防水透气性优良的外饰面材料（如装饰砂浆、真石漆等），不仅保证了建筑外立面的美观，还避免了致密度较高的外饰面材料导致水汽无法排出，聚集在保温系统内部，引起面层起鼓、开裂甚至是脱落，进而降低保温性能的问题，提高了建筑物的使用寿命。

图11 雄安万科被动房茶室

4 结语

目前，石墨板薄抹灰外墙外保温系统和岩棉薄抹灰外墙外保温系统是最适合被动式超低能耗技术的产品，兼具透气与防水性能的外饰面材料能够满足系统水蒸汽传输的要求。选择一个可以提供高性能产品和系统以及拥有丰富施工经验的集成服务商，是对被动式超低能耗建筑整体质量的有力保障。

尽管与欧美国家相比，我国被动式超低能耗建筑起步较晚，现阶段依旧在实践中探索最优化的被动式技术，但发展被动式超低能耗建筑符合我国国情和人类各方利益，应该以正确的态度和正确的方式稳步推进。

注释

① 2017年，美国杜邦与东方雨虹签订战略合作协议，授权其作为杜邦在建筑领域用隔汽膜/透气膜及系统部件的大中华区产品总代理。

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[4] W. Feist. First Steps: What Can be a Passive House in Your Region with Your Climate?[Z]. Psssive House Institue.

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