建筑墙体保温节能设计：三明治保温墙板的设计要点及能耗表现
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导读：超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用新风热回收技术，并利用可再生能源，提供舒适室内环境的建筑。本文主要介绍三明治墙板在近零能耗建筑中的应用，以及北欧等较成熟的零能耗建筑地区的项目案例。
1、外围护结构节能设计
2、 兼具结构性能和热力学保温属性
3、关键系数— 保温材料传热，连接件热冷桥
4、超低能耗项目概览
· 丹麦Sems Have日托中心，丹麦
· 芬兰Jarvenpaa老人公寓
· 青海宝恒超低能耗办公楼
· 大连正大清源办公楼项目
超低能耗建筑的设计要点-外围护结构节能超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用新风热回收技术，并利用可再生能源，提供舒适室内环境的建筑。在寒冷的北欧国家超低能耗建筑概念已较为成熟。如下图所示，超低能耗房屋设计要考虑到如下几点：
表 1 NorthPass (2012) 被动房设计考虑要点
在北欧国家，利用太阳能生产能源效率非常低，成本很高，因此尽量减少能源消耗更是实际项目中的首要设计原则。通过基本方法来减少围护结构的热损失和空气泄漏:增加隔热 避免冷热桥 对于墙体中的门窗，采用足够低U值（传热系数），较小开洞面积，提升接缝处气密性等措施来实现。
在建筑中，外围护结构的热损耗较大，外围护结构中墙体又占了很大份额。所以建筑墙体改革与墙体节能技术的发展是建筑节能技术的一个最重要的环节，发展外墙保温技术及节能材料则是建筑节能的主要实现方式。 在围护结构中，隔热混凝土复合墙板（也称为“三明治夹心保温墙板”）越来越被广泛用作被动式房屋建筑的外表皮。通常情况下三明治墙板由混凝土内外页（层），刚性保温材料中间层，以及内外页剪力连接件构成。
兼具结构性能和热力学保温属性这种将不同的材料层或基质组合在一起形成三明治复合材料形式，实现复合性能的做法，最早可以追溯到1960年以前，三明治系统取得最大的突破是在航空航天领域的应用，特别是在第二次世界大战期间研制的蚊子飞机（Mosquito aircraft）。1960年后，三明治复合材料技术开始在汽车制造、制冷设备、造船和建筑等许多领域被大量使用。
作为建筑材料，三明治夹芯墙板作为一种预制构件，也被称为预制混凝土夹芯墙板(PCSP)。它被认为是对使用工业化建筑系统(IBS)方法生产的实心板的一种改进，在混凝土层之间创建了保温材料而具有显著的热工性能，在土木工程应用中得到了广泛应用。
相比传统的建筑墙体，预制混凝土夹芯保温墙体能够有效地将结构性能，热力学保温属性，以及建筑装饰结合在单块墙板之中，在越来越多的工程应用中获得青睐。不仅具有良好的防火及耐久性能，而且生产工序简单，适用于工业化生产，在施工时无须再做保温层和饰面层，极大地缩短了工期、提高了施工速度，降低人工成本，采用预制外墙还可以实现无外架施工，可降低施工成本，在建筑部品中受到关注，并逐渐发展为建筑墙体的主流形式。
对于严寒寒冷地区的夹芯保温外墙板，通常外叶板保护层厚度60~80mm，B1 级中间层隔热保温材料，厚度为200mm。同时配套使用涂料型防水隔汽/ 透气技术、板缝高气密性处理技术、外窗无热桥内嵌式安装等创新技术，可以实现外墙系统的高性能保温隔热、断热桥、防潮一体化。值得注意的是，对于保温材料厚度超过200mm，400mm以内的保温墙板，配合使用桁架式剪力连接件技术可以实现超低能耗建筑的热工要求。在寒冷的北欧地区，几乎所有的超低能耗建筑都采用桁架式剪力连接件，国内也已有此类类装配式超低能耗建筑的实际案例。
芬兰Kauppurienkatu项目 保温厚度200~300mm
挪威Wessels-Hus项目 保温厚度200~300mm
挪威Alta Vest项目 保温厚度200~300mm
关键系数— 保温材料传热，连接件热冷桥在夹芯保温墙体中，通常将连接件设置在内外叶墙板之间，在结构上连接各墙板和保温层，并且承受两片混凝土墙板之间的剪力。此外，剪力连接件自身性能与布置还直接影响到整个夹芯保温墙板的热力学性能，为了避免在在连接件与墙体连接部位之间出现冷热桥效应，连接件自身应当具备较低的导热系数，良好的耐腐蚀性及耐久性，与墙板接近的热膨胀系数以连接件与墙板间的相对滑动。对于普遍采用的桁架式剪力连接件的墙板，唯一的热桥是将夹层构件连接在一起的桁架，所以在连接件设计中比较容易做到合理不知道，避免冷热桥。
总体来说，夹芯保温墙板形式可以满足严寒寒冷及夏热冬冷地区超低能耗建筑的热工要求，满足其大规模推广使用的前提条件。
图-1采用桁架式剪力连接件的预制混凝土保温墙板剖面图
另外，结构和部件接缝处的气密性应当从设计初期就应进行特别关注。图-2为芬兰某住宅项目在墙角处采用多层单组分聚氨酯泡沫材料对接缝处进行密封。同时佩克 PVL钢丝绳连接环的采用让预制墙墙连接变得简单易行。我国《被动式超低能耗建筑技术手册（试行）（居住建筑）》也对被动房气密性做出了要求，目前可以通过鼓风门法对建筑围护结构气密性进行测试。
图-2 墙角部位连接构成
下表显示了保温板厚度与传热功能，以及不同夹心保温板连接件对传热系数的影响。
表 3 不同的夹芯板连接件传热系数（对传热系数的增量影响）
1. Sems Have日托中心，丹麦
项目背景：将30个宿舍/日托中心翻新转换为低能耗公寓，翻修工程于2013年12月完成。
1、改进保温围护结构
2、协调通风系统与取暖系统
3、建筑变更，升级光伏系统。
符合丹麦建筑等级2020(NZEB)
建筑类型：住宅 修复
建筑面积：改造后总建筑面积达3 388 m²
建筑围护结构：
墙: 预制，轻自重 ，保温层厚度可达480mm
屋顶:400 mm 隔热保温
窗户：三层低能耗装配玻璃
地下室底板：在混凝土底板下100 mm厚的膨胀框架黏土
建筑围护结构传热系数：
墙 0.2 W/m².K (87% of the wall area) – 0.3 W/m².K (13%)
窗户：1.0 W/m².K
屋顶/阁楼顶棚：0.09 W/m².K
地下室天花板/地板：1.1 W/m².K
建筑暖通系统：供暖：该建筑物连接到某一区域供暖网
通风：采用特定功率的风扇（SFP，系数为2 J/m 3）以及84%热恢复效率，以实现通风系统与取暖系统的平衡
包括可再生能源技术：总光伏(安装在两个屋顶上):115平方米，17.3 kWp
建筑-A上配置光伏: 55 平方米 8.16 kWp （6 613 kWh 每年） ；
建筑-B上配置光伏: 60 平方米 9.12 kWp （7 282 kWh 每年） ；
可再生能源贡献率：总能耗的16% （光伏/建筑总能耗）
能耗改善相较于满足当地国标的同类建筑：70%
2. Jarvenpaa老人公寓，芬兰
项目背景：芬兰首个近零能耗建筑， 2011年完成。该项目为新建项目，包括44套老年公寓，其中33套为独立卧室 开放式厨房，11套为集体公寓。
建筑类型：住宅
建筑面积：2124m2 占地面积
建筑围护结构：预制三明治墙板，300mm SPU保温层
建筑围护结构传热系数：
墙板： 0.08W/m2k
窗户： 0.76 W/m2k
屋顶/阁楼顶棚： 0.07 W/m2k
地下室天花板/地板： 0.10 W/m2k
建筑暖通系统：
水暖系统；节能照明系统；带热回收功能的机械热排风系统
包括可再生能源技术：太阳能集热器，太阳能和地热供暖
可再生能源贡献率：100%，夏季多余的能源被出售给附近的房屋，以补偿冬天的区域供暖消耗
能耗改善相较于满足当地国标的同类建筑 100%。
国内低能耗建筑项目概况
1. 青海宝恒超低能耗办公楼，中国
- 保温板厚度 190mm
- 城市：青海
- 面积：3000平方
- 时间：2019年
青海宝恒超低能耗办公楼项目，5层，框架结构体系，围护墙采用三明治墙板，青海宝恒绿色建筑产业有限公司负责生产，河北建研建筑设计有限公司负责设计。该项目三明治外墙面积约3000平方米，内叶墙板100mm、外叶墙板60mm及保温层厚度190mm，外墙三明治墙连接件采用佩克产品PDM240型连接件。
2. 大连正大清源办公楼项目，中国
- 保温板厚度 200mm
- 城市：辽宁大连
- 面积：2000平方
- 时间：2018年
大连正大清源办公楼项目，2层，外剪力墙采用三明治墙板，大连正大清源建筑材料有限公司负责生产，大连都市发展设计有限公司负责设计。该项目建筑面积约2000平方米，内叶墙板200mm、外叶墙板60mm及保温层厚度200mm，外墙三明治墙连接件采用佩克产品PDM250型连接件。
关于佩克
佩克集团是致力于装配式建筑接技术的全球领先品牌。佩克的创新解决方案使得客户的设计和建造过程都更为高效、便捷和可靠。佩克总部位于芬兰的拉赫蒂，佩克在全球30个国家设有子公司，并在8个国家设立了生产基地，其业务遍布亚太地区、欧洲、非洲、中东和北美地区。佩克公司于2011年在中国江苏省张家港经济开发区建立生产基地，并同时设立亚太区总部，致力于引入欧洲成熟的经验技术，并根据中国市场的需求进行本土化应用研究和创新。
