超低能耗房屋與酚醛泡沫防火保溫材料

1、超低能耗房屋與酚醛泡沫防火保溫材料上海市合成樹脂研究所原總工程師 殷宜初 前言 未來 5 年仍是中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化繼續(xù)推進(jìn)的 階段，要繼續(xù)保持各個部門能耗強(qiáng)度明顯下降的態(tài)勢，其難 度也將明顯增加。我國建筑能耗為發(fā)達(dá)國家的三倍，約占我 國總能耗的 30%。因此我國政府必須狠抓建筑節(jié)能工作，大 力推廣應(yīng)用國外房屋設(shè)計(jì)和絕熱保溫新理念，才能大幅度降 低建筑能耗。 超低能耗房屋就是歐洲近年來發(fā)展這種新理 念而實(shí)現(xiàn)的重大創(chuàng)新改革，使建筑節(jié)能達(dá)到最低碳排放，甚 至零排放的先進(jìn)水平。超低能耗房屋超低能耗房屋(Passive house,也有人譯為被動式房屋)首先是一位德國專家沃夫?qū)M(fèi)士特(Wolfgang

2、Feist)在1988年提出來的理念，這類房屋不主 動采用中央空調(diào)或外來熱電進(jìn)行取暖或制冷。主要的理念是 使熱量的傳遞、對流和幅射在整座建筑設(shè)計(jì)上更為合理,尤 其是使用超厚高效保溫材料,加上三層隔離窗、自動通風(fēng)、 熱回收系統(tǒng)等配置結(jié)合,能最大限度地降低能耗,使屋內(nèi)始 終處于冬暖夏涼的恒溫恒濕和新鮮空氣的舒適環(huán)境中。符合 超低能耗房屋的標(biāo)準(zhǔn)是：每年每平方米低于 15kwh ,僅是一 般傳統(tǒng)房屋的 10%,能耗極低。因此未來建筑節(jié)能的奮斗目 標(biāo)應(yīng)是超低能耗房屋。圖 1 是超低能耗房屋的設(shè)計(jì)示意圖。圖1 超低能耗房屋的設(shè)計(jì)示意圖圖 2 德國超低能耗高層建筑世界上第一批超低能耗 （被動式）房屋建于 1

3、990 年，是位于德國達(dá)姆施塔特 （ Darmstadt） 的四排連體房屋 . 沃夫?qū)M(fèi)士特隨后于 1996 年建立了達(dá)姆 施塔特超低能耗房屋研究所，到 2010 年世界上已建成約 25000 棟房屋，主要分布于德國、奧地利和歐洲其他國家。 美國于 2003 年才建成第一座超低能耗房屋。而世界上第一 棟舊房改造成超低能耗房屋位于愛爾蘭，建成于 2005 年并 獲得認(rèn)證許可。而美國第一棟約 240 平方米舊房改造成的超 低能耗房屋位于加州，在 2010 年 7 月建成并獲得認(rèn)證。2010 年上海世博會里有座德國的專業(yè)館，叫做漢堡之 家，就是一座運(yùn)用最新超低能耗房屋設(shè)計(jì)、采用高效超厚保 溫材料與環(huán)

4、保技術(shù)建成的綠色建筑。這種建筑隔熱性能極 好，能耗極低，能源不需依賴外部蒸汽或電力供應(yīng)，冬天僅 用太陽能或地下熱源以及居住者的體溫即可保暖。據(jù)漢堡之 家的建筑師聲稱德國已在 2010 年秋季建成現(xiàn)代化的超低能 耗高層建筑德意志銀行（見圖 2）。近年來我國朗詩等地產(chǎn)商通過運(yùn)用大量超低能耗（被動 式節(jié)能）技術(shù)，大大降低建筑能源消耗，綜合保溫性能 4 倍 于普通的節(jié)能住宅，業(yè)主為此每年將節(jié)約下大量的能源開銷 費(fèi)用。 2010年 2月 5日，蘇州朗詩國際街區(qū)榮獲建設(shè)部“綠色建筑三星標(biāo)識” ，這是目前中國最高標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑認(rèn)證。朗詩以 80綜合節(jié)能率在行業(yè)中跨越了一大步。 我國建 筑能耗約占全國總能耗的

5、 30以上，預(yù)計(jì)到 2020 年，房屋 在建造和使用過程中的能耗將占社會總能耗的 40。建筑節(jié) 能是緩解我國能源緊缺矛盾、 改善環(huán)保條件、 減輕環(huán)境污染、 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)直接的、廉價的系統(tǒng)工程，其中房 屋隔熱是這一系統(tǒng)工程中的重要一環(huán)。根據(jù)建筑節(jié)能“九 五”計(jì)劃和 2010 年規(guī)劃，現(xiàn)有城鎮(zhèn)建筑需進(jìn)行節(jié)能改造的 約有 100 億平方米，僅屋頂隔熱材料每年就需消耗1億多平方米，如果所有建筑都能達(dá)到超低能耗房屋的標(biāo)準(zhǔn)，即每年 每平方米低于 15kwh ，相當(dāng)一般傳統(tǒng)房屋能耗的 10，這將 對國家和人民做出多么了不起的貢獻(xiàn)！ 超厚高效的墻體 保溫材料 超低能耗房屋只有依靠超厚高效的墻體保溫

6、材料才能實(shí)現(xiàn)隔絕熱量，無機(jī)保溫材料早在十年前因生產(chǎn)過 程耗能高、導(dǎo)熱系數(shù)大、吸濕性高、節(jié)能效果差、以及對人 體皮膚刺激和易致矽肺等原因， 無法充當(dāng)建筑節(jié)能 65的主 體保溫材料而被淘汰出市場，以后十多年來在建設(shè)部門的推 動下采用節(jié)能效果更好的膨脹聚苯乙烯泡沫（EPS）、擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS）、聚氨酯泡沫（PU），用于薄抹灰外墻外保 溫系統(tǒng)，對多層和高層建筑群進(jìn)行大規(guī)模節(jié)能改造，這三種 保溫材料雖然能夠達(dá)到節(jié)能 65，但火災(zāi)隱患卻大大增加 了。EPS、 XPS、 PU 均屬有機(jī)保溫材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕、保溫、隔熱性好，最大的缺點(diǎn)是防火、安全性差，易 老化、易燃燒。燃燒時煙霧大、毒性大。特別

7、是 EPS 泡沫、 XPS泡沫，耐火性極差，在 80 C以上就軟化變形熔融滴落。 正因?yàn)榇耍跉W美等發(fā)達(dá)國家，對重要建筑、高層建筑進(jìn)行 外墻保溫，一般都要求對保溫系統(tǒng)和絕熱材料作燃燒性能及 耐火極限試驗(yàn)，且分為若干等級。不同等級的系統(tǒng)和材料適 用不同范圍的建筑防火要求。到目前為止， EPS 板薄抹灰外 墻保溫系統(tǒng)由于涉及嚴(yán)重防火問題，在美國有 20 多個州禁 止使用；在英國，18米以上建筑不允許使用 EPS板薄抹灰 外墻保溫系統(tǒng)；在德國，22米以上建筑不允許使用 EPS板 薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)。實(shí)際上， 2009 年 2 月 9 日發(fā)生的央視大火，就已經(jīng)暴露出了外墻保溫材料的易燃問題。當(dāng)時 央視

8、大樓使用的外墻保溫材料是XPS，它遇火熔化后會產(chǎn)生滴落物，滴落物會由下向上形成煙囪效應(yīng)引發(fā)更嚴(yán)重的立體 式燃燒，并迅速蔓延到整個大樓。因此易燃外墻保溫材料的 高層建筑一旦著火幾乎不可撲救，如 2011 年 2 月 3 日沈陽 第一高樓萬鑫酒店的大火從 10層燒到 37層總共才不到 5分 鐘，因此由 EPS、XPS 保溫材料引發(fā)的火災(zāi)蔓延極快。 而 PU 雖然是熱固性材料，遇火不會熔化滴落，但 PU 著火后煙霧 毒性更大。根據(jù)對 2010 年 11 月 15 日上海膠州路火災(zāi)事故 分析， 90以上人員的傷亡，主要由于 PU 在燃燒過程中釋 放出大量含有氰化氫等劇毒煙氣造成的。火災(zāi)中 PU 材料燒

9、起來黑煙彌漫，大部分遇難群眾都是吸了兩口煙氣就立即死 亡。上?；馂?zāi)發(fā)生后， 公安部消防局副局長朱力平公開表示 : 從更多火災(zāi)來看，聚氨酯泡沫等易燃裝修材料已經(jīng)成為當(dāng)前 火災(zāi)中群眾遇難的罪魁禍?zhǔn)?。不解決中國建筑節(jié)能保溫技術(shù) 系統(tǒng)中的泡沫保溫材料防火安全，以及整個建筑保溫防火安 全問題，中國諸多建筑節(jié)能工程將留給后人無法回避的建筑 火災(zāi)大隱患。一位有著 30 年滅火經(jīng)驗(yàn)的消防局人士說： “如 果不在材料上杜絕隱患，一定會再出現(xiàn)上海膠州路大火這樣 的悲劇?！敝袊鞘腥丝诟叨让芗?、建筑群密集，以多層和 高層為主建筑群居多，大面積使用易燃泡沫塑料作保溫層， 不管是在室內(nèi)還是室外，均存在火災(zāi)的隱患。 第三

10、代保 溫材料 20 世紀(jì) 80 年代，國外科學(xué)家通過對酚醛樹脂及 其制品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們具有突出的難燃、無煙、無毒特 性 (Fireproof, Smokeless, Toxicity free, 簡稱 FST 特性 )。制成 的酚醛泡沫(Phenolic Foam，簡稱PF)的難燃程度是 PS和 PU所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。厚僅30mm的PF平板經(jīng)受1700 C火焰噴 射10 分鐘后，僅表面略有炭化卻燒不穿，既不著火也不散 發(fā)濃煙和毒氣。20 世紀(jì) 90 年代以來，包括 PF在內(nèi)的酚醛復(fù)合材料得到很大發(fā)展，首先受到英、美等國家 軍方重視，將其用于航天航空、國防軍工領(lǐng)域中。例如波音 飛機(jī)的艙壁夾層中就

11、是用PF保溫，艙外在一萬多米高空時氣溫約零下50 C,由于用了 PF保溫，能保證艙內(nèi)乘客處于 舒適安全的環(huán)境中。后來 PF 又被應(yīng)用于船舶、車站、油井 等防火要求嚴(yán)格的場所，并逐步推向醫(yī)院、體育設(shè)施和大樓 住房等公共與民用建筑領(lǐng)域1-4。 PF由于導(dǎo)熱系數(shù)低， 相比傳統(tǒng)的保溫材料如巖礦棉、玻璃棉及膨脹珍珠巖等，其 節(jié)能保溫性能高約一倍。人們公認(rèn)其節(jié)能保溫性能居于所有 保溫材料之首，也有人稱其為”保溫之王”或“第三代保溫 材料”。從表1可見，如膨脹珍珠巖保溫層厚度需60mm,而PF只需 25mm 就可達(dá)到同樣保溫效果。國外 PF 外墻外保溫應(yīng)用實(shí)例 近年來作者在參加國 際會議、考察或技術(shù)交流期間

12、對PF 也做了調(diào)查研究，以下就歐、美、日幾家具有代表性的PF 生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品和應(yīng)用作一介紹5-7。（ 1）英國金斯潘（Kingspan）公司是世界上最大的 PF 生產(chǎn)廠家之一。 它的 PF 商標(biāo)名 Kooltherm, 根據(jù)用途不同分成 10個牌號。其中 K5 EWB 是外墻外保溫 專用泡沫板， 1980年金斯潘公司就開始進(jìn)行外墻外保溫的應(yīng) 用, 據(jù)稱該公司目前每月向客戶提供 K5 EWB 約 15萬平方 米8。 中國PF行業(yè)在2011年7月組成考察團(tuán)參觀了曼 徹斯特的湖濱開發(fā)區(qū)四棟公寓大廈 （見圖 3），該公寓于 1961 年建成， 2006 年進(jìn)行保溫改造。 金斯潘公司提供了 K5 EWB

13、 泡沫板，這是既有高層建筑舊房改造工程的典型成功案例?？疾靾F(tuán)又在倫敦郊區(qū) Hamlets 參觀了一處高層建筑舊房改造 工地，三棟住宅高樓正好處于改造前、改造后和改造中的情 景，讓人一目了然?？疾靾F(tuán)還參觀了倫敦市區(qū)在建高層新樓 房現(xiàn)場（見圖 4），讓大家親眼目睹了 PF 保溫系統(tǒng)施工全過 程。圖 3 曼徹斯特高層建筑舊房改造圖 4倫敦在建高層新樓房值得一提的是考察團(tuán)訪問了位于 Watford 知名的 BRE （Building Research Establishment） 創(chuàng)新園區(qū) , 英國建筑界在那 里用最新設(shè)計(jì)理念和材料建成的超低能耗（被動式）房屋和 綠色生態(tài)環(huán)境， 園區(qū)里有十多棟樣版房被

14、 BRE 評為可持續(xù)性 綠色安全建筑而獲獎。其中一棟綠白相間的三層樓房引起大 家的注意，它的外墻和屋頂都是用超厚金斯潘酚醛泡沫做保 溫材料，使其達(dá)到零碳生態(tài)建筑標(biāo)準(zhǔn)，獲得了 2007 年英國 住房大獎。這種被人們稱為“ 21 世紀(jì)未來綠色之家”的生態(tài) 房屋設(shè)計(jì)， 已推廣到歐洲大陸。在中英雙方會議交流中，多次提到建筑消防安全設(shè)計(jì)和防火標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問題，英方介紹 了金斯潘酚醛泡沫都能達(dá)到 BS 476-6 和 BS 476-7 等英國標(biāo) 準(zhǔn)燃燒等級中的零級要求。英方對于我國近年來發(fā)生的幾次 高層建筑大火也有所聞，在英國規(guī)定 18 米以上的建筑不準(zhǔn) 用 EPS 等易燃或可燃材料， 對中國十多年來使用易燃

15、或可燃材料于高層建筑中表示不可理解。 他們認(rèn)為 PF 能通過 BS 8414 就可用于任何高層建筑，它的保證使用期為 30 年，自 然壽命 60 年。目前 PF 在民用和公共建筑中應(yīng)用已占首位 （60%）。 我們通過這次考察， 了解到近年在英國政府部 門的大力支持和推動下，用于建筑墻體上的PF以每年50 %的增長速度得到很大發(fā)展。學(xué)習(xí)英國先進(jìn)技術(shù)，特別是英國 的外墻外保溫系統(tǒng)施工技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更先進(jìn)更合理，值得 我們學(xué)習(xí)和借鑒。 “他山之石， 可以攻玉”，我們相信我國 PF 行業(yè)在政府部門的大力支持和推動下也會得到很大發(fā)展。 英國普瑪洛克（PermaRock）制品公司是一家以生產(chǎn) PF及 礦棉

16、等外墻保溫板的知名廠家。普瑪洛克制造的PF保溫板的尺寸為900-1200mm x600mm，最厚不超過 100mm。導(dǎo)熱 系數(shù)為 0.018W/mK ，防火性能達(dá)到 BS476-7 的 class 0。該公 司經(jīng)多年來的開發(fā)研究，按照英國標(biāo)準(zhǔn)制定并實(shí)施了一套完 整成熟的施工應(yīng)用技術(shù)體系規(guī)范，在 90年代就成功地將 PF 保溫板應(yīng)用在磚石或混凝土墻面上，而且無論新的或既有的 建筑、高層或低層建筑都可應(yīng)用。經(jīng)過檢測試驗(yàn)和評審，有 關(guān)建設(shè)部門在 1997年 2月授予了該公司“普瑪洛克酚醛外 墻保溫系統(tǒng)”應(yīng)用許可證（證號 041/97）。 表 2 列出了普瑪 洛克酚醛外保溫系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果。普瑪洛克Per

17、maRock外墻保溫系統(tǒng)相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方 法和規(guī)范如下：BS 476:Part 6:1989 建筑材料和構(gòu)造的燃燒試驗(yàn)： 產(chǎn)品火 焰?zhèn)鞑y試方法BS 476 Part 7:1987 建筑材料和構(gòu)造的燃燒試驗(yàn)： 產(chǎn)品的 火焰表面蔓延分級測試方法BS 874:1973 絕熱術(shù)語的定義與測定絕熱性能方法BS 5250:1989 建筑物內(nèi)冷凝控制實(shí)施規(guī)范BS 5262:1991 外表抹灰實(shí)施規(guī)范BS 5628 : Part 3 用于磚石建筑實(shí)施規(guī)范：BS 6399: Part 2:1995 建筑物負(fù)荷：風(fēng)負(fù)荷實(shí)施規(guī)范BS 8000:Part 10:1995 建筑工地上工藝技巧： 墻面抹灰實(shí) 施規(guī)范B

18、S 8104:1992 墻體暴露在風(fēng)吹雨淋中評估實(shí)施規(guī)范BS 8200:1985 建筑物無承重外垂直圍墻實(shí)施規(guī)范BS EN ISO 9002: 1994 質(zhì)量體系：生產(chǎn)、安裝、服務(wù)的 質(zhì)量保證 （3）美國西碧（C.P.）化學(xué)公司建立于1966年， 多年來主要從事于酚醛樹脂、表面活性劑、催化劑及相關(guān)發(fā) 泡設(shè)備的生產(chǎn)銷售和研究開發(fā)9。30 多年來該公司致力于開發(fā)一種名為 Tripolymer 的 PF， 1975 年得到了美國能源部的 支持和認(rèn)可，經(jīng)過三年來的深入研究和試驗(yàn)，成功地將它推 出市場。如今公司在美國國內(nèi)已有 8 個生產(chǎn)廠，在英國、德 國和澳大利亞也建立了工廠。 36 年來已在新建或既有

19、的民用和商用建筑上共裝配了 3.9 億平方英尺的 Tripolymer 。據(jù)稱 在 911 事件中被毀的紐約世界貿(mào)易中心也曾用它作為墻體保 溫材料。 此外，在美國各地的沃爾瑪 (Wal-Mart) 大超市、萬 豪( Marriott )大酒店和會議中心等知名建筑中都曾用過。 值 得一提的是在 25 年前用于水泥砌塊中的 Tripolymer 至今仍 無損壞現(xiàn)象。 近年來西碧公司又開發(fā)了一種直接將發(fā) 泡漿料通過噴槍現(xiàn)場噴注到空心磚或中空水泥砌塊中的專 利技術(shù)，發(fā)泡漿料是改性酚醛樹脂共聚物與固化劑的雙組份 Tripolymer 予聚體。 由于 Tripolymer 具有最好 的防 火性和隔音性，所

20、以它已廣泛用于學(xué)校、醫(yī)院和民宅。通過 美國標(biāo)準(zhǔn) < 燃燒級別測試準(zhǔn)則 >(ASTM E-119 )，證明沒 有其它能現(xiàn)場噴注的有機(jī)泡沫可達(dá)到 Tripolymer 優(yōu)良防火性 能。 (4) 日本旭化成 (Asahi) 建材 公司為了保護(hù)地球環(huán)境和改善居住環(huán)境，多年來對 PF 保溫 材料進(jìn)行了深入研究開發(fā)。近年來該公司推出了商標(biāo)名為新 曙光(Neoma)的PF新產(chǎn)品10。在生產(chǎn)過程中，發(fā)泡劑采 用碳?xì)浠衔锎鏁茐某粞鯇拥腃FC、 HCFC ，從而保護(hù)了地球環(huán)境。新曙光 PF 保溫板已通過了日本、中國和英國 的防火等各項(xiàng)試驗(yàn)， 由于達(dá)到了日本標(biāo)準(zhǔn) <

21、燃燒性 > 的技 術(shù)指標(biāo)( JIS D1201) , 得到了日本不燃材料認(rèn)定證書(證書 號：NM-0315 ),并且獲得了日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)廳和環(huán)境廳的節(jié) 能和環(huán)保大獎。 以下圖 5顯示新曙光由直徑不到 100 微米的微小氣泡構(gòu)成，而 XPS 和 PU 的氣泡要大得多 圖 5 新曙光與 XPS、 PU 泡孔微觀結(jié)構(gòu)作者在 2011年 9月訪問了旭化成公司東京總部，據(jù)稱 新曙光 PF 保溫板已在木結(jié)構(gòu)房屋墻體上占有日本市場的二 分之一。該公司正在大力推廣在外墻、屋面、天花板、地板 和隔墻等保溫應(yīng)用，并已制定了相應(yīng)的施工技術(shù)規(guī)范。該公 司為了改善了人們健康、舒適、安全的居住環(huán)境，提出了新 曙光將成為新世紀(jì)新型高性能保溫材料。 我國 PF 行