装配式建筑外围护结构节能技术研究综述

卢 煜，刘明蓉，周 渝，霍海娥*

（1.西华大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610039；2.江苏省招标中心有限公司,江苏 南京 210000）

随着我国城镇化建设的推进，建筑能耗在逐年攀升，提高建筑的节能率是解决这一严峻问题的最佳途径。建筑物的围护结构是能量消耗的主要部位，因此，建筑能耗与建筑围护结构的形式和热工性能有着密切的关系，外墙、屋面、外窗的保温隔热性能对建筑运行负荷的影响最大。装配式建筑是一种基于绿色理念的现代化建筑形式，其主要部件在工厂预制并在工地现场装配而成。装配式建筑具有整体式剪力墙结构和整体式框架结构，往往可以承受很高级别的地震，因此装配式建筑是抵御地质灾害和重建家园的利器。2016 年9 月，国务院印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]，明确要求大力发展装配式建筑，截至2018 年底，31 个省（区，市）陆续出台了推进装配式建筑产业发展的系列激励措施。住房和城乡建设部发布的《“十四五”建筑业发展规划》指出，到“十四五”末装配式建筑占新建建筑的比例要达到30%以上。国内外对传统建筑的节能技术进行了深入研究，其研究成果应用于实际工程中已取得明显的节能效果。装配式建筑作为新兴建筑相比传统节能技术节能潜力有多大提升空间，同样的节能技术应用于不同的装配式结构的节能效果如何，以及不同装配式构造形式的气候适应性都是目前装配式建筑节能研究亟待解决的问题。

1 国外装配式建筑外围护结构节能研究

1970 年爆发的全球能源危机，使得世界各国开始着眼建筑的节能研究。国外百年前便开始了对装配式建筑的研究，相关的技术体系已基本成熟，各项规范标准也比较完备[2]。装配式建筑的发展与社会经济、地理环境和科技水平息息相关，因此各国的装配式建筑在发展过程中也存在差异性。

1.1 美国

美国装配式建筑盛行于20 世纪70 年代，并于1976 年出台了一系列严格的建筑行业体系规范标准。目前美国大城市建筑围护结构类型以混凝土和钢结构为主，小城镇以轻钢和木结构体系为主，城市住宅的建造已经实现了工厂流水生产构件，极大限度地实现了节能、节材。近年来，相关学者对于新型围护构造与新材料的应用研究层出不穷。Lee 等[3]通过对实心混凝土区域连接的预制三层夹心保温墙板和预制两层夹心保温墙板进行研究，发现三层板的热工性能优于双层板，原因是三层板增加了通过实心混凝土的热路径长度，采用高电阻隔热材料从而在热工性能方面获得了更大的提升。Woltman 等[4]对装配式混凝土墙板拉结件的力学性能和热工性能进行研究，结果显示，通过优化玻璃纤维增强聚合物（GFRP）拉结件尺寸和截面几何形状等参数，可大大减少GFRP 拉结件引起的热桥。Kim 等[5]对带有W 型、Z 型和J 型3种不同形状金属连接件的预制混凝夹心保温墙板的热工性能进行了研究，结果表明：W 形连接器的传热率低于其他类型的连接器，且与温度测量位置无关；在设计和实践中需要考虑多个连接器之间的传热并对设计方法加以改进。

1.2 欧洲

欧洲具有较长的装配式混凝土建筑历史，预制技术非常成熟，各国已形成的系统基础理论均能符合节能环保与循环经济要求[6]。法国拥有130 多年推行装配式建筑的历史。以预制混凝土结构为主，钢、木结构为辅，如今建筑围护结构由框架或板柱体系逐步向大跨度发展。独创的SCOPE 体系装配率高达80%，相比于传统建筑，建筑的能耗可降低30%，已被众多国家熟知且应用。德国通过自身的独有研究和发展调节，在降低建筑能耗方面的研究趋于世界领先水平，近几年又在装配式建筑基础上融入被动式的概念，从而推动住宅与节能标准相互之间的融合。在保证人体热舒适性的前提下，节能原则从初期的建筑围护体系各结构最低耗热量值转变为建筑全周期热工性能的提升，新建建筑节能技术规范中对于围护体系热能损耗等建筑能耗计算量提出强制性指标要求。波兰的Major 等[7]对一种由条状聚氨酯和混凝土制成的新型预制复合墙结构的热工性能进行了研究。通过热工分析和动态数值模拟得知该复合结构混凝土墙体抗压强度较高，在冬季可提高墙体内表面温度2.3 ℃。意大利威尼斯IUAV 大学的Boscato 等[8]研究了一种由钢筋混凝土板和胶合层木框架制成的预制复合墙体系（CGFP），利用热箱法对其热工性能进行评估，分析不同保温材料墙体热阻，最优的墙体导热系数为0.2 W/(m2·K)，通过计算碳足迹和碳排放进行全生命周期评估，CGFP 显示出良好的热工性能。英国的Robetro 等[9]通过理论计算和实验的方法，对一种砖混复合预制外墙体ETIS 的热工性能进行了分析，理论计算值为2.68 m2·K/W，实验中由于构件间有空气渗入，测得实际热阻为1.7～2.15 m2·K/W，此外，发现含水率对该复合墙体系统的热工性能影响较大。

1.3 日本

综上所述，国外装配式建筑发展时间较早，工业化水平较高，建筑体系完善。有关围护结构节能方向的研究对象已经不局限于单一的混凝土构造形式，不断向钢-混凝土、木-混凝土等复合结构形式过渡，综合考虑了能耗、碳排放、人体热舒适、智能技术等多个优化控制目标，研究内容更加细化。

2 国内装配式建筑外围护结构节能研究现状

我国的装配式建筑起步于20 世纪50 年代，经历了开创、发展、低潮及恢复再发展这4 个阶段[14]。近几年我国在政策上对于装配式建筑不断倾斜，装配式建筑发展步入快车道，同时也推动着相关节能技术、保温技术的发展[15]。关于装配式建筑外围护结构节能的理论研究主要集中在不同结构体系墙体的保温构造、节能外窗窗框与玻璃的节能改造、屋面板的最佳保温层材料与厚度选择等方面。

2.1 装配式建筑外墙节能技术

墙体是建筑最重要的围护结构构件，对建筑能耗水平具有显著的影响。当前我国装配式建筑外围护系统的技术热点和难点均集中在外墙系统领域，主要围绕在适用于不同结构体系的外围护墙体性能以及构件连接节点的优化方面。装配式混凝土结构的发展在结构主体、设计方法上主要参照现浇结构，预制混凝土剪力墙结构以及预制混凝土框架结构应用最为广泛，这两种结构体系在当今的众多建筑体系当中无论是理论研究还是实践应用都处于领先地位[16]。目前国内预制混凝土剪力墙结构分为全预制和部分预制两种。全预制装配式剪力墙结构体系全部剪力墙都采用预制构件，预制率高，但连接拼缝较多；部分预制剪力墙结构主要指内墙现浇、外墙预制的结构，性能与现浇结构类似。预制混凝土框架结构一般采用外挂墙板构件，主要用于工业厂房和公共建筑，与剪力墙结构相比，外挂墙板模数更固定、协调性更好，近年来也逐渐用于民用建筑。目前国内用于装配式建筑的外挂墙板按结构类型分类主要有单一材料外挂墙板、内保温外挂墙板、外保温外挂墙板、夹芯保温外挂墙板[17]，外挂墙板一般不作为承重构件，只起到围护结构功能，国内学者针对外挂墙板的热工性能研究集中在新型材料的应用和内部连接件两个方面。

2.1.1 预制混凝土剪力墙结构节能技术

2.1.1.1 全预制整体式剪力墙节能技术

目前，装配式整体式剪力墙的节能技术通常沿用传统现浇建筑的既有方式，在我国北方的严寒、寒冷地区，建筑外墙大多使用外保温构造。赵辉[18]通过BIM 信息化平台发现对利用防水混凝土和钢筋混凝土剪力墙组成的混凝土空气间层复合墙体增加外保温构造处理，能够进一步增加墙体的保温隔热性能，是适宜严寒地区的装配式建筑外墙构造选型。南京长江都市建筑设计股份有限公司[19]为解决外墙外保温存在的易脱落、使用寿命短等技术问题，设计了自保温双墙复合系统，以当前应用较广的ALC 板为基本选材，采用“外包内嵌”的围护形式，运用到南京某保障房公寓和人才公寓中。项目的外墙分别采用了125 mm+75 mm厚和125 mm+100 mm 厚的蒸压轻质加气混凝土ALC 保温板，两板之间设置30 mm 封闭空气隔层，建筑的节能率分别达到68.14 %和67.63%[19]，为装配式建筑外墙设计提供了一种新途径。近年来南方装配式混凝土剪力墙外墙多采用夹心保温一体化墙体。王禹[20]尝试将夹心保温技术引入北方地区，从墙板内部的空气夹层流动特性及传热特性入手，在夹心保温的保温材料里添加2 层空气层，形成了5 层保温层构造，研究封闭空气夹层随夹层尺寸、两侧温度差等条件改变时的换热规律，设计出一种适合严寒地区建筑的装配式混凝土双层空气夹层保温外墙板。墙板厚度为辽宁地区典型墙体的80%，且传热系数仅为0.225 W/（m2·K）[20]。

该项目的技术关键是山洪预报，欧盟专家清晰地认识到，鉴于山洪的特点，传统的洪水预报方法在应用于山洪灾害防治工作中面临诸多问题，突出表现在如下几个方面：

2.1.1.2 部分预制剪力墙——叠合板式混凝土剪力墙节能技术

叠合板式剪力墙是近年来由德国引入并结合我国基本情况加以改进而成的[21]，在我国的应用时间尚短。两侧为预制墙板，中间一层是现浇混凝土，现浇过程中，两侧的预制墙板充当模板并作为结构的一部分，通过格构钢筋连接，格构钢筋起到了拉结的作用，拼装过程中也可以作为起吊点[22]，保温层的铺设可根据节能设计放置在预制墙板的内外部或者中间。国内学者对于此新型墙体构造的抗震性能[23-24]、水平接缝性能[25-26]和界面采用非桁架钢筋[27-28]进行了大量探索，力学性能上改进已逐步适用于我国的建筑情况；但还没有针对热工性能方面的研究。该剪力墙体系在节能方面还有多大潜力，以及在不同的气候分区节能效果有何差异，亟待更多科研学者进行深入探索。

2.1.2 预制混凝土外挂墙板节能技术

聚氨酯泡沫、EPS 和XPS 等有机保温材料一直以来作为主要的墙体保温材料，虽然轻质、隔热、易加工，但他们都有易燃这个最大的缺点；因此，上海市建筑科学研究院的管文[29]用不燃型泡沫混凝土保温板代替可燃型有机材料作为夹芯保温层材料。通过实验和计算表明，内外为60 mm厚预制钢筋混凝土板、中间为70 mm 厚泡沫混凝土保温板的预制夹芯复合墙体能满足夏热冬冷地区建筑65%节能要求[29]。马晓红[30]在不改变墙板240 mm 原有厚度的情况下，对内、外叶板表面分别预留尺寸为2 170 mm×700 mm×40 mm 和3 000 mm×200 mm×40 mm 凹槽，其内部填充泡沫混凝土，使预制夹心外挂墙板的传热系数降低到0.45 W/（m2·K）以下，运用到寒冷地区某装配式建筑中，优化后的墙板使围护结构节能率提升了15.5%～26.6%[30]。泡沫混凝土的干密度、导热系数、抗压强度3 个主要性能参数相互制约，一定程度上限制了泡沫混凝土的应用。李悦[31]以泡沫、水胶比、气凝胶和纤维掺量为因素研究生产出干密度为673.12 kg/m³，导热系数为0.162 3 W/(m·K)，抗压强度4.12 MPa 的最优配合比泡沫混凝土外挂墙板，采用DesT 能耗模拟软件，测得使用该外挂墙板的装配式建筑与传统建筑相比，节能率达到67.8%[31]。泡沫混凝土板被广泛使用后，王旭东[32]针对泡沫混凝土板的主要材料水泥在生产过程中能耗和污染高的问题提出改进方案，通过掺入一定配比的工业废料粉煤灰、纳米蒙脱土以及聚丙烯纤维，研制出一种新型纳米材料改性粉煤灰A 级保温材料。通过PKPM PBECA 节能计算软件能耗模拟分析，用该保温材料作150 mm 厚装配式墙板的建筑与传统建筑相比其节能效率达到65.28%[32]。

与普通混凝土相比，轻集料混凝土具有质轻、比强度高、耐火及抗冻性能好、无碱骨料反应等优点。管文[33]以页岩陶粒作为轻骨料，研发出内外页墙板分别为55 和100 mm 的轻骨料混凝土墙板、夹心保温层为40 mmXPS 的预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板，与同强度等级的C40 普通混凝土相比，预制LC40 轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板时可使墙板自重减小27%，且平均传热系数为0.67 W/（m2·K），满足夏热冬冷地区公共建筑节能外墙的要求。太原理工大学的课题组[34-35]研发出了兼顾力学和热工性能的玻化微珠保温混凝土，以该混凝土为材料研发装配式玻化微珠保温混凝土空心剪力墙，相比传统保温墙体，该墙体体系拥有很好的自保温性能，无须进行额外保温层施工。对空心孔洞内进行聚氨酯填充和接缝热桥部位进行挤塑聚苯板外保温处理，能分别降低墙体32.8%和约16.2%～18.7%的传热系数，且墙体内表面不会结露，满足夏热冬冷地区居住建筑节能65%的要求。

装配式外挂墙板与传统的墙板相比有生产效率高、保温隔热性能好、经济节能等优势，随着对外挂墙板理论技术研究的深入与完善，新技术、新型材料的应用、节点连接等细部构造的改进，将有效地扩宽外挂墙板在装配式建筑行业的应用发展空间。

总体来说，无论是预制复合保温外挂墙板还是预制混凝土剪力墙结构，它们外围护结构的细部构造做法都不同于传统建筑。目前我国还没有关于装配式建筑方面的节能设计标准与技术政策，对细部构造的保温处理也就很难落实到位，施工完成后各种节能效率不达标的问题亟须得到改善。

2.2 装配式建筑外窗节能技术

无论装配式建筑还是传统现浇建筑，外窗都是热量损失的重要部位之一，对外窗进行合理的节能设计以降低能耗极为重要。借鉴传统现浇建筑做法，装配式建筑多采用节能外窗，但各种类型节能窗的热工性能存在较大差异，因此需要对外窗进行合理的选择，同时注意避免热桥产生，以最大程度上降低外窗部位的热量损失。

针对窗框部分，外窗框所用型材占据外窗洞口面积的15%～30%，是外窗能量流失的薄弱环节，目前市场上常见的窗框型材的保温性能差异很大。张丽娟[36]根据市场上常见的3 种腔体结构，研究开发出窗框热阻2.09 m2·（K·W）-1、平均传热系数0.44 W（m2·K）-1的适宜寒冷地区装配式建筑的新型窗框。窗框与墙体之间的气密性问题，可通过窗框外侧采用透气膜粘贴封堵，窗框室内侧与外墙内侧裂缝处采用隔气膜紧密粘贴的方式解决[37]。

除了提高窗框的热阻以外，对玻璃进行节能改造也可以减少热损失。夏赟[38]对严寒地区装配式建筑外门窗传热系数和遮阳系数对建筑耗热量指标的影响进行分析，提出对中空玻璃5 号面进行镀单银Low-E 膜技术改进，或将塑料型材厚度增加至80 mm 并使用（5+12A+5+16A+5）mm 加暖边条的中空玻璃这两种满足75%节能要求最佳技术方案。Qiang Jin 以某装配式单体建筑为对象，研究了填充稀有气体并粘贴low-e 膜的节能窗对整体能耗的影响，使用DeST 软件计算能耗得出该窗节能率为25%，建筑年热负荷从60.26 W/m2降低到54.84 W/m2[39]。随着新材料、新技术的不断推广应用，玻璃纤维增强塑料、铝木复合材料、新型铝塑复合材料、中空玻璃暖边技术以及透明性塑料板等为外窗节能提供了更多的选择，同时外窗与遮阳设施一体化不断发展，将百叶窗安装于密封的双层中空玻璃内侧，并固定在开放式铝板内部，通过磁力控制其升降和翻转，当在水平位置时，兼顾采光与遮阳，可有效阻隔太阳辐射。同时这种复合窗清洁方便且节能效果较好[40]，势必成为装配式建筑未来节能窗的发展方向之一。

对于外窗的节能设计，除了关注窗户本身的保温能力之外，窗墙比也是不能忽略的一个重要因素。设计时确定的窗墙面积比既要满足国家规定的节能标准，也要最大化满足建筑物室内生活照明需求，从而提高生活质量[41]。邸梵[42]以西安某装配式住宅为例建立基础模型，得出建筑各朝向合理的窗墙比并得出结论，寒冷地区装配式住宅的外窗类型宜选用中空玻璃塑钢窗和单框双层塑钢窗，同时应尽可能降低窗墙比。

装配式建筑与传统建筑外窗最大的区别在于装配式构件在制作时预留了窗洞口，窗洞口预埋防腐木砖和拉结钢筋会破坏墙体的一维传热形成热桥。今后在研究墙体自身强度和热工性能的同时，也要重点关注对装配式墙体窗洞口热桥部位的影响，无论是已有研究还是未来即将开发的不同的窗框和玻璃构造组合，对装配式窗洞口热桥有何种影响，采取怎样的有效处理措施；墙体使用不同的保温材料与不同的保温层厚度分别对窗洞口处热桥效应影响如何，都是未来装配式外窗节能研究需要攻克的难点。

2.3 装配式建筑屋面节能技术

装配式建筑屋面板节能技术与传统现浇建筑类似，区别在于装配式建筑屋面板采用叠合板的形式且保温层厚度略有不同，因此，屋面板的节能设计主要集中于合理选择保温材料及保温层厚度。王佳玮[43]开发了一种由纵横交错的钢筋混凝土密肋和密肋间填充体组成的大跨复合楼板，并以该楼板为结构基层发展为新型装配式混凝土复合屋盖，通过有限元数值模拟得出：保温层厚度超过40 mm时，其热工性能好坏取决于保温层材料及保温层厚度，在屋盖-墙体节点和屋盖板后浇带节点之间无显著热桥热工缺陷与表面结露隐患。对不同气候分区针对性进行保温设计，严寒地区应优先选用容重小，保温性能好的有机保温材料；在寒冷地区使用120 mm XPS 可达到理想的保温效果；夏热冬冷地区使用30 mm EPS 保温层不会造成屋盖内表面结露。

目前，国内对装配式混凝土屋面节能设计基本沿用传统做法，研究局限于防水施工技术[44]，而针对热工性能的研究非常匮乏。屋面作为重要的围护结构之一，耗能占据建筑整体耗能的7%，受到太阳辐射和室外空气温度的影响都十分显著。如今新材料、新技术不断涌现，对于现有的高效保温材料保温屋面、种植隔热屋面、蓄水屋面、架空型保温屋面等节能设计[45]，可研发更多配套的装配式建筑新型节能复合屋面。

2.4 装配式构件连接节点热桥优化

装配式建筑与现浇结构的根本不同点在于：现浇结构是一个整体，而装配式结构在便捷施工的同时，存在大量的安装连接构造缝。热桥主要在预制混凝土夹心外墙板的内部拉结件及其附近区域、外墙板之间及与梁、柱等主体结构构件的连接处产生，致使建筑整体的热工性能降低，不能达到预期设计的要求[46]。

2.4.1 混凝土构件内部连接热桥

预制混凝土夹心墙板早期连接件大多采用金属格构筋，由于金属的热传导率较高，因此连接件和其附近的区域易产生热桥。徐桂明等[47]和魏燕丽等[48]选取纤维Thermomass 棒式、金属Halfen 的针式与板式和金属peikko 桁架3 种不同连接件，探索连接件对墙板热工性能的影响。结果表明，采用纤维连接件的预制混凝土夹心保温墙板相较于采用金属连接件的保温墙板热工性能明显更优，促使很多学者和企业的研究向研发绝热性能好的非金属材料连接件转变。同济大学联合上海建工集团、北京万科企业有限公司和南京斯贝尔复合材料有限公司自主研发的FRP 片状和棒状连接件成为国内首个具有自主知识产权的预制混凝土夹心保温墙体连接件[49-50]。薛伟辰等[51]使用该新型连接件开发了集围护与节能一体化的新型预制混凝土无机保温夹心保温墙体。热工性能试验研究结果表明，作为外墙和内墙时传热系数分别为0.738和0.701 W/（m2·K），满足夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准。刘卉[52]提出了一种采用钢筋玻璃纤维复合筋的W 型接件形式，在钢筋外包一层玻璃纤维，利用玻璃纤维的热传导系数较钢筋低的特性，可有效地减少金属件的冷热桥问题。江焕芝[53]研发兼具力学性能和热工性能的钢-纤维复合连接件（SGCC），通过试验和理论相结合的方法对该连接件体系的力学性能及夹心墙板的结构性能、组合性能和热工性能等进行了研究。结果表明：对于保温层厚度为50 mm 的夹心墙板，每平方米配置不多于13 个连接件可满足《夏热冬冷地区的居住建筑节能设计标准》和《公共建筑节能设计标准》的热工要求；当保温层厚度为90 mm时，每平方米配置4 个连接件可满足大部分严寒地区及寒冷地区的《居住建筑节能设计标准》的热工性能要求。

2.4.2 混凝土构件之间连接热桥

预制装配整体式剪力墙体系中，剪力墙之间的接缝采用湿式连接，水平接缝处钢筋采用套筒灌浆连接、浆锚搭接连接和底部预留后浇区内钢筋搭接连接的形式[54-55]。套筒灌浆连接会使得建筑围护结构的局部传热系数增大，产生热桥，影响连接节点保温隔热的效果，因此，邝福军[56]研究了灌浆套筒对夏热冬冷地区建筑墙体热工性能所带来的影响。结果表明套筒的存在会使装配式结构墙体的传热系数增大、整体热阻减小，套筒距离墙体数量越多、表面越近，则该墙体的热桥效应越明显，采用夹心保温体系的装配式框架剪力墙结构，在框架柱区域做局部保温处理可以有效减少热量损失。冯宏欣[57]从施工误差层面分析寒冷地区装配式混凝土剪力墙建筑热桥对节点的影响，提出构造设计优化策略：对屋面-女儿墙节点应选择将空调板外包保温层的构造形式；对屋面-女儿墙节点则应选用保温层位于外墙和屋面内表面，从而消除热桥影响。刘惠安[58]则提出对墙板与楼板连接处热桥部位使用较好的砌筑砂浆材料，阳台板与楼板连接处热桥部位竖向与水平向分别铺设0.35 和0.55 m 的保温层可以有效地减小热桥影响。符跃[59]对蒸压加气混凝土装配式建筑墙板外包横板、外包竖板、内嵌横板及内嵌竖板4 种墙板连接形式进行了局部热桥节点温度场模拟、墙体热工性能修正、建筑能耗模拟及热桥处理措施等一系列的研究。研究发现与自保温形式相比，采用外保温形式热桥对建筑采暖能耗的影响更小。

3 结论

当前我国装配式建筑行业正在急速升温，与其匹配的外围护结构节能技术却仍然滞后，本文通过对不同结构体系的装配式建筑外围护系统节能技术的综述，得到如下结论。

1）目前国外装配式建筑外围护结构的节能研究对象已经不局限于单一材质构造形式，不断向钢-混凝土、木-混凝土等复合结构形式过渡，反观国内装配式建筑，节能研究对象仍以混凝土结构形式为主，缺乏复合结构的研究应用。在实践过程中，国内装配式建筑技术体系大多借鉴国外先进技术，然而由于地域的差异，国外成熟的装配式建筑节能技术并不能完全适用于我国的装配式建筑节能设计。因此，为保证我国装配式建筑的快速发展，亟需对不同复合结构形式的热工性能和能耗特点进行本土化研究，尽快使装配式建筑的研究发展与国际接轨。

2）随着节能环保要求的提高，新型材料不断涌现，新型装配式围护构件类型层出不穷，但与之匹配的应用案例较少，通用性不强，推广难度较大。我国的地理环境十分广袤，划分为5 个气候分区，南北方气候差异较大，尤其是南北方之间的过渡区域，外围护结构的选型始终存在很大争议。目前国内针对围护构造的研究多集中于单个构件的节能分析，而对于外墙、窗户和屋顶不同构造选型组合的整体节能效果却鲜有研究。不同构造形式的组合在不同气候分区的能耗特点各不相同，因此，如何根据各气候分区气候环境特点确定外围护构造体系选型以达到最佳节能效果还需学者进行深入研究。