严寒地区真空绝热板应用防热桥及缺陷措施研究

张一恒， 夏赟， 田野， 姜东序， 黄雷涛

（1.黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080；2.青岛科瑞新型环保材料集团有限公司，山东 青岛 266109）

0 引言

随着我国实现碳达峰碳中和的目标确立，国内对建筑节能的要求逐年提高，减少建筑在使用和运维阶段的二氧化碳排放，使得被动式超低能耗建筑技术在国内受到了前所未有的关注和重视，降低建筑能耗最有效的途径就是建筑高性能保温，因此建筑对墙体保温隔热材料的性能要求也越来越高。真空绝热板（vacuum insulation panel）是以粉状和纤维状无机材料与吸气剂等作为芯材，用复合阻气膜作包裹材料，经抽真空、封装等工艺制成的建筑保温用板状材料［1］，而STP是建筑用真空绝热板（VIPB）的其中一种，作为一种新型高效绿色的保温材料，它已有50多年的发展历史，在实际生产和应用中，基于板内的真空部位在很大程度上有效地降低了热传导，从中形成了一层保温屏障，然而由于真空绝热板的构造和施工方法，会存在热桥隐患，首先看真空绝热板的自身构造，其外部阻气结构与内部芯材的导热系数差距很大，STP板阻气模厚度约为0.22mm，导热系数0.68W/（m·K），板的边缘会有热桥效应［2］，其次真空绝热板在实际生产过程中，由于各边缘存在不同尺寸偏差，因此相邻的真空绝热板在粘贴过程中将形成横竖向板缝而不能紧密贴合，导致部分热量将通过板缝处损失，形成热桥效应。在设计施工过程中，可以采用预模拟计算来适当的调整真空绝热板的尺寸规格、在板缝处填充具有良好隔热性能的柔性保温材料或采用双层错缝粘接的手段，从而达到减小热桥效应，定性定量地把控墙体保温效果。文中分析并提出了墙体保温预模拟方案和减小热桥效应的措施，为设计、生产和施工提出了可行的方案和建议。

1 试验方案及实施

文中通过模拟和试验研究了粘贴方式的外墙外保温薄抹灰系统，以及现场实测粘锚结合的保温装饰一体化板外保温系统。

1.1 试验方案

1.1.1 粘贴方式的外墙外保温薄抹灰系统

在大庆市让胡路区建立了三间联排标准试验房，3种墙体构造分别为A室：5mm抗裂砂浆+耐碱网格布+10mm保温砂浆+30mm单层粘贴STP板+5mm粘结砂浆+370mm烧结多孔砖+20mm保温砂浆；B室：5mm抗裂砂浆+耐碱网格布+10mm保温砂浆+双层25mmSTP板错缝粘贴（STP板与STP板间为5mm粘结砂浆）+5mm粘结砂浆+370mm烧结多孔砖+20mm保温砂浆；C室：5mm抗裂砂浆+耐碱网格布+10mm保温砂浆+30mm单层粘贴STP板+5mm粘结砂浆+240mm轻集料混凝土小型空心砌块+20mm保温砂浆。选用2022年1月14日下午3时三间联排标准试验房北向墙体的红外热成像仪检测的墙体表面温度数据与模拟计算数据对比，当时室外环境温度实测为-24.3℃，A室内温度为14.3℃，B室内温度为13.5℃，C室内温度为13.8℃，利用《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》［3］中提供的二维稳态传热计算软件PTemp进行模拟分析，模拟了3种外墙外保温系统下墙体节点处的热桥状态和不同墙体材料层之间的温度，应用ANSYS软件对墙体外壁的温度场状态及热流强度分布进行了数值模拟分析，通过比较两种不同的有限元计算软件，分析了墙体内部的温度场和热桥的位置状态，模拟结果与实际红外检测结果进行对照，验证处理方案的效果以及两种模拟软件的适用性。

1.1.2 粘锚结合的保温装饰一体化板外保温系统

双鸭山市经开区科创中心大厦采用粘锚结合的保温装饰一体化板外墙外保温系统，建筑建成时间为2019年，外墙采用的是轻集料混凝土小型空心砌块+STP保温装饰板的外墙外保温系统，固定方式为粘锚法，其内部板缝采用聚氨酯发泡填充，装饰板缝用硅酮密封胶密封。

1.2 方案实施

根据《黑龙江省建筑外墙用真空绝热板（STP）应用技术规程》，STP板应按设计进行排版，竖向应逐行错缝，最小错缝宽度不应小于100mm，板缝不宜大于8mm，试验按照8mm板缝来进行设计、施工和模拟，单层粘贴STP板板缝处施工中为保温砂浆抹压填充，双层粘贴STP板中板与板之间内部板缝为粘结砂浆抹压填充，外层板缝为保温砂浆填充，表1为材料的应用计算参数见表1。

表1 应用计算参数

1.3 联排标准试验房的设计实施方案

三间联排标准试验房的南北向墙体均粘贴STP板，工程于2021年9月24日开始，工期为期6d，实际施工南向见图1，北向见图2。

图1 南向施工

图2 北向施工

2 模拟与实测

2.1 二维稳态传热计算软件PTemp模拟

DB23/T 2473-2019《黑龙江省建筑外墙用真空绝热板（STP）应用技术规程》对设计应用提出以下要求：

（1） 确保热桥部位的内表面温度高于室内空气设计温湿度条件下的露点温度不小于2℃，露点温度按照《民用建筑热工设计规范》计算。

（2） 系统设计时应满足相关节能标准的要求，STP板与基墙之间的界面温度不低于0℃，界面温度越高，饱和蒸气压越大，界面冷凝的可能性就越小。

表2为3种外墙外保温系统下，运用PTemp软件所得到的模拟图和不同界面的温度值，主断面传热系数计算公式：

表2 二维稳态传热计算软件PTemp模拟数据

式中，K为主断面传热系数，W/（m2·K）；R0为墙体主断面的传热阻，（m2·K）/W；Ri为内表面换热阻，（m2·K）/W；d为墙体各部分厚度，m；λ为导热系数，W/（m·K）；Re为外表面换热热阻，（m2·K）/W。设定好边界条件和材质属性之后，经过模拟得到表2。

2.2 二维稳态传热计算软件PTemp模拟分析

利用PTemp软件模拟温度场云图，参考设定的温度标尺，可粗略的估算系统内的界面温度，精确到0.5℃。

（1） 三间联排标准试验房的露点温度计算参数取相对湿度值为60%，根据《民用建筑热工设计规范》计算得到A、B和C室的室内空气在设计温、湿度条件下的露点温度分别为6.6、5.9℃和6.2℃，由表3所示可知，上述3种不同条件下，均符合热桥部位的内表面温度高于设计露点温度2℃以上的规定。

（2） 同种基墙的情况下，双层错缝粘贴STP板的内层界面温度明显优于单层粘贴STP板。

（3） 3种外墙外保温系统模拟得到的内侧板缝处与基墙间的界面温度均大于0℃，界面温度越高，饱和蒸汽压越大，越不容易发生冷凝，3种外墙外保温系统内各界面温度对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压见表3。

表3 各界面温度对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压

2.3 利用ANSYS对比PTemp模拟结果

参考数据和边界条件同PTemp一样，墙体网格模型见图3，温度场云图见图4，热流矢量见图5，考虑对流换热和热辐射下的ANSYS计算后的温度场云图见图6。

图3 墙体网格模型

图4 温度场云图

图5 热流矢量1

图6 热流矢量2

2.4 ANSYS软件模拟分析

通过ANSYS软件模拟分析值得出数据汇总见表4。

表4 ANSYS软件模拟分析数据

2.5 ANSYS软件模拟分析

通过ANSYS软件的热稳定性算法模块Steady State Thermal，按照文中所设定的边界条件及各种材料的计算参数，建立有限元模型并计算得到3种不同外墙外保温系统的温度场云图和热流矢量图，热流矢量越靠近板缝处分量越明显，温度场分布趋势和倾向一致。热流也称为热通量，根据傅里叶定律热流是具有方向性的矢量单位，热流矢量与温度梯度成正比［4］，方向相反，包含x、y和z共3个方向，热传导方式不同，分为传导、辐射和对流，墙体外表面温度的模拟计算应当考虑墙体外表面与空气流体间的对流换热和热辐射影响，墙体外表面的辐射率取0.95，对流换热系数取23.0W/（m2·K），建立北向墙体周围的空气域，空气域的导热系数取0.026W/（m·K），得到了3种外墙外保温系统下北向墙体的外表面温度值。对比3种不同外保温系统的主断面传热系数和外表面总热流量以及外保温系统的内部界面温度，文中引用Pearson相关系数来衡量数据组间的线性相关关系，相关系数的绝对值越大，相关性越强，相关系数在0.8～1.0为极强相关，0.6～0.8为强相关，将二维稳态传热计算软件PTemp模拟数据见表2、ANSYS软件计算数据见表4建立两套数据组，Pearson相关系数为A室为0.76，B室为0.71，C室为0.75，说明ANSYS模拟的数据结果和二维稳态传热计算软件PTemp的数据规律与结果是存在强线性相关的。

ANSYS相较于PTemp软件在外墙外保温系统内部的界面温度数值分析和热流量计算上更精确。

2.6 联排标准试验房的红外热成像检测

建筑外围护结构热工缺陷检测包括外表面热工缺陷检测和内表面热工缺陷检测，外围护结构热工缺陷宜采用红外热像仪进行检测，将与受检表面主体区域（不包括缺陷区域）平均温度的温度差值≥1℃的点所组成的区域定义为热工缺陷区域，标准要求受检外表面缺陷区域与主体区域面积的比值小于20%，且单块缺陷面积应小于0.5m2，受检内表面单块缺陷面积小于 0.5m2［5］。2022 年 1 月 14 日下午 3 时，利用 Flir T335红外热成像仪对三间联排标准试验房的北向墙体进行了实地热工缺陷检测，当时室外环境温度实测值-24.3℃，相对湿度55%，拍摄距离2m，辐射率0.95，检测期间与开始检测时的空气温度相比，室外空气温度逐时值变化最大值为2℃，室内空气温度逐时值变化最大为1℃，由于受检的外表面为墙体北墙，故没有太阳直接照射，受检内表面无灯光照射，从图像中可以看出STP板拼接缝处的位置温度较高，流出的热量较大，温度的分布沿着板间十字缝向各个边缘两端扩散呈现较为明显的分布，也说明了部分热量的流出是沿着STP。

板面的阻气材料及缝隙传输出去的。从红外热像照片中，选出一块具有代表性的区域Ar1，在Ar1内部的STP板面和与其周围温度差值＜1℃的区域的集合定义为受检表面主体区域，将与受检表面主体区域平均温度差值≥1℃的区域定义为热工缺陷区域。由于三间试验房的南墙全天受到太阳直接照射，吸收了足够热辐射热量，故在南侧外墙表面用红外热成像仪测不出明显的温度梯度和热工缺陷，不予参考；红外热像仪照片中，北向墙体内表面的亮点为温湿度记录仪，不予参考。三间联排标准试验房北向内墙红外热成像见图7，北向外墙红外热像图见图8。

图7 北向内墙红外热成像

图8 北向外墙红外热成像

2.7 模拟与实际检测的数据对比分析

红外热成像仪测得的三间联排标准试验房北向内、外墙体的热工缺陷汇总见表5。

表5 北向墙体热工缺陷温度汇总

通过对红外热成像仪数据的分析，B室的保温效果要明显优于其他两种墙体。三间联排标准试验房北向内表面均无热工缺陷，B室北向内外表面无热工缺陷，A室受检外表面缺陷区域与主体区域面积的比值为13.8%，C室受检外表面缺陷区域与主体区域面积的比值为9.2%，A、C室外表面单块缺陷区域面积均小于0.5m2，A室受检外表面缺陷区域包括横向板缝和竖向板缝，竖向短板缝平均温度与受检外表面主体区域（不含缺陷）的平均温度差值在1～1.2℃，而横向长板缝平均温度与受检外表面主体区域（不含缺陷）的平均温度差值在1.4～1.6℃，横向板缝中包含了十字缝和横竖向交叉缝，这些部位会产生较大的热桥效应。

2021年年初对双鸭山市经开区科创中心大厦北向墙体进行了现场热工缺陷检测，选取两处代表性的检测结果见表6。

表6 双鸭山市经开区科创中心大厦现场检测结果汇总

通过红外热像检测结果可以看出，双鸭山市经开区科创中心大厦北向内外墙体除了固定用锚栓处有明显的热工缺陷外，横竖向板缝及板缝交叉处均没有热工缺陷。建议装饰保温一体化板固定安装用锚栓宜设计成断热桥的构造，降低能耗。

3 结语

真空绝热板在设计过程中表面阻气膜结构存在热桥通道，且在拼接施工过程中板缝造成的热桥效应会对保温层与基墙界面和墙体室内的内表面温度产生影响，经过分析验证得到以下结论：

（1） 在严寒地区使用真空绝热板作为外墙外保温，采用较薄厚度的STP板双层错缝粘贴可以有效的防止界面冷凝，保温效果显著，内侧界面板缝压入粘结砂浆需特殊处理，建议可以选择预留20mm板缝加以填塞柔性保温材料。

（2） 对于单层粘贴STP板8mm板缝的情况，建议在横、纵向拼接处、墙体边缘处的板缝用模塑材料挤压填充，以防止外墙外表面产生热工缺陷。

（3） 采用真空绝热板做保温层的装饰保温一体化板，安装时板缝采用高效保温材料（聚氨酯发泡）填充，外面用硅酮密封胶封堵，不会产生热桥；固定锚栓宜采取断热桥措施，降低外墙外表面产生热桥的概率。

（4） 可采用ANSYS和二维稳态传热计算软件PTemp结合模拟外墙外保温系统的温度场云图及热流矢量图，当外墙外保温系统内部界面温度临近0℃，或需要了解某些界面的准确温度时，宜采用ANSYS模拟，确保计算更加精确，通过模拟计算结果预测系统内保温薄弱节点和热工缺陷点，采取相应的措施加以强化设计，达到理想的节能保温效果。