聚氨酯硬泡技术在绿色建筑生态节能设计中的应用

聚氨酯硬泡技术在绿色建筑生态节能设计中的应用

（河北工业大学 土木与交通学院，河北 天津 300401）

摘 要：全球能源消耗比例中，建筑耗能占总能源消耗的比重较高。近年来建筑外墙保温技术成为建 筑耗能节约设计中的主流技术，是我国绿色生态节能设计中的主流形式。传统建筑外墙方法能耗较大 且保温性能较差。提出将聚氨酯硬泡技术运用于建筑外墙保温中，硬质聚氨酯泡沫是较优异的阻热保 温材料。首先，分析了现有的浇注聚氨酯硬泡保温、喷涂聚氨酯硬泡保温、粘贴聚氨酯硬泡保温等聚氨 酯高效保温节能技术。对以上三种方式的系统构成、操作流程及优势分别阐述；其次，通过实验对聚氨 酯硬泡技术系统性能参数进行分析，探讨导热系数及粘贴强度对聚氨酯泡沫保温的影响；最后，通过实 际监测建筑室内温度，运用聚氨酯硬泡技术后室内温度明显上升。实验证明，聚氨酯硬泡技术应用于 建筑节能设计中，不仅降低了能耗，提高了室内温度，而且大大降低了住宅单位面积二氧化碳的排放 量，达到了绿色节能设计的目的。

关键词：建筑耗能；聚氨酯硬泡技术；外墙保温
中图分类号：TU532. + 63 文献标识码：A 文章编号：1001-7119（2017）01-0174-04
DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.01.037

文献[1]中指出据资源利用司与发改委数据 统计，我国去年能源利用比例为32%，同比发达 国家低10%，而且单位产出的能源消耗则超过世 界平均水平的20% [2，3] 。文献[4]提出能源消耗问 题现已成为限制我国经济发展的关键因素之一， 解决能源问题需节约开采，降低能耗，另外也要 提高能源的利用效率。

 数据表明在总能耗中建筑的能源消耗大概 占29%，因此节约建筑能耗则是我国节约总能耗 的关键一个步骤 [5，6] 。因为对建筑能耗节约的需 要不断增加，建筑外围护结构绿色节能设计技术 也应运而生并快速发展，文献[7]提到现今保温技 术成为了建筑节能技术的基础技术之一。

 目前我国建筑节能水平有限，文献[8]提出在 建筑耗能中外围护结构的热耗能占很大的比例， 所以整个节能的关键环节是建筑墙体节能技术， 因此节约建筑能耗的关键办法是要研究外墙保 温技术与采用节能材料。我国建筑保温节能方 法主要采用外墙外保温方法，这种方法主要是把 保温材料用粘连材料固定在外墙上，在保温材料 外表面增加一层玻璃纤维网，在将涂刷粘结胶浆 让保温材料和墙体相互结合起来 [9，10] 。

1 聚氨酯硬泡外墙外保温系统

（1）施工过程 

喷涂法聚氨酯硬泡技术现场作业时，包括两 种方法：涂料饰面法及面砖饰面方法。基本构成 为：聚氨酯隔潮底漆、喷涂硬质聚氨酯泡沫保温 层、涂刷抗裂腻子、刷饰面涂料或者抗裂聚合物、 防护网、面砖饰面保护层。 

施工作业流程为：①基层清扫浮灰，整理凹 凸不平物②抹灰找平③刷聚氨酯隔潮底漆④喷 涂硬质泡沫保温层⑤保温表层处理⑥抗裂聚合 物砂浆找平⑦保护层

2）注意要点

 ①硬质聚氨酯泡沫外墙外保温应是非常有 效的保温系统，诸如热桥部位包括墙体的梁柱、 室外阳台及门窗洞口等位置需着重增加保温效 果，在不容易喷涂的部位应该用涂抹的方法增加 保温层或粘贴聚氨酯保温材料，并且要先于喷涂 操作前。②基底墙体的凹凸程度不能大于3 mm，若超过此范围应先将基底墙体找平后再进行施 工喷涂作业。基底墙体的干燥程度应是水分含 量不超过8%。③需要对墙面和喷枪的距离进行 合理设置，同时要保证喷枪具有精确的移动速 度。④在硬质聚氨酯泡沫外墙外保温作业时，需 要将环境温度提高到10℃以上，将作业风力提高 到5级以上，风速超过10 M/s，且雨天进行作业。

（3）喷涂聚氨酯硬泡技术的优势 

喷涂法形成聚氨酯保温层和墙体能够达到 无缝衔接，可以做到有效保温的作用，保证了导 热系数低的要求，保温效果优于EPS、XPS保温材 料。由于该种材料是优良的粘结材料，与基层墙 体结合性较好，当受到不利温度或湿度影响时， 仍然不与基底墙体分离，并能够保证在潮湿环境 中具有稳定的性能。另外，硬质聚氨酯泡沫是高 强度且高稳定性的化学材料，若墙体变形时也具 备良好的适应能力和抗裂能力，确保整体系统状 态的稳定。

1.2 浇注法聚氨酯硬泡外墙保温 

（1）施工过程 

浇注法聚氨酯硬泡沫保温外墙主要由4个部 分组成：硬质聚氨酯泡沫保温层、外墙基底墙体、 聚合物混合砂浆保护层、界面层。其施工工艺包 括两种：可拆模板及置入式模板，前者模板拆除 可重复使用，所以更符合建筑节能设计要求，下 面主要介绍可拆模板浇注法作业流程。

施工流程为：①基底墙体进行治理；②在基 础板表面添加隔离剂；③浇注聚氨酯硬泡沫；④ 对浇注模板进行拆卸；⑤界面层处理；⑥抹灰找 平；⑦涂刷涂料。

（2）注意要点 

①施工环境温度要在10℃以上，墙面水分的 含量不得超过8%，在雨天无防雨设施的情况下 不能进行施工。②在进行模板浇注时，模板固定 牢固，在一定的时间间隔后进行分批加入，且浇 注量不能过多，防止模板变形开裂，泡沫密度在 35~60 kg/m 3 。③该模板需要进行保温表层的界 面处理，模板完成后应检查模板是否有残缺，保 证模板保温层稳定性。

（3）浇注法聚氨酯硬泡技术优缺点
浇注法硬质聚氨酯泡沫外墙保温和喷涂法对比不受环境条件的制约，对施工人员的技术水平要求不高。浇注法模板表面的平整度较高，施工作业时也利于操作。但浇注法施工时在封闭 的模腔内进行聚氨酯发泡，如何更好地缓解在浇 注模板初期产生的涨裂问题，一直是浇注法聚氨 酯外墙保温施工的难点。

1.3 粘贴法聚氨酯硬泡外墙保温 

利用粘贴法进行聚氨酯硬泡板外墙保温过 程中，包含含聚氨酯硬泡保温板抹灰系统及带饰 面层的聚氨酯硬泡保温板系统。基本组成系统 为：水泥砂浆找平层、基底墙体、硬质聚氨酯泡沫 保温板、水泥砂浆网格布、涂料饰面、聚合物粘结 砂浆、固定栓等。

施工方法包括条涂法和点框法。点框法将 混合好的粘结胶浆涂抹于硬质聚氨酯泡沫板周 围，采用标注尺寸的聚苯板，胶浆涂抹于板面中 间位置的8个点，点直径为100 mm，胶浆涂抹范 围应不少于板面的60%。条涂法是将粘结胶浆 涂抹在板材背面，利用专用抹子保持45°角刮掉 多余部分胶浆。涂抹胶浆后，立刻将保温板材粘 贴在墙体上，粘贴动作要轻、力道均匀。应按照 建筑外墙脚部位自下而上的方向粘贴粘贴聚氨 酯泡沫板，板材贴牢固后，使用专用工具将板边 抹平，保证板与板之间平行对齐。

综合以上聚氨酯硬泡技术，目前常用技术为 喷涂法聚氨酯外墙保温技术，该方法技术难度不 复杂且优势明显。

2 聚氨酯硬泡技术系统性能参数

硬质聚氨酯泡沫作为保温隔热的材料之一， 导热系数高低是检验保温材料好坏的一项重要 指标，保证导热系数低且稳定是研究硬质聚氨酯 泡沫保温材料的技术难点。实验表明，对聚氨酯 导热系数产生影响的因素较多。

（1）影响硬泡聚氨酯导热系数的因素 根据热阻的概念，热流通过单元体的导热热 阻为，公式如下：

R F =L/ ( ) Aλ F（1）
其中通热面积为：
A=L²（2）

R F =1/ ( ) Lλ F（3）

其中， λ F 为硬泡综合导热系数。考虑到单元体中导热，辐射对传热及气固相共热作用下，
综合导热系数为：
λ F =λ G +λ S +λ C（4）

其中， λ C 是代表辐射导热系数； λ G 代表固相 导热系数； λ S 代表气相导热系数

分析结果证明，硬泡孔径小，泡孔里气体对 流传热造成的损失热量能够忽略不进行计算。 硬泡导热系数大小，是由泡孔内气体导热数值决 定的。

（2）泡孔内不同气体成分的导热系数 含不同泡孔里的气体成分，会对硬质泡沫导 热系数产生的不同影响，具体数据如表1所示。

由表1可看出，当发泡剂采用CO 2 时聚氨酯 泡沫导热系数最高，可以合理调整气体的比例来 改变导热系数的数值。

（3）陈化过程对导热系数的影响 

聚氨酯在发泡进程里，跟着材料粘度的提 高，泡孔构造会不停的增强，一直到泡孔整体闭 合产生闭孔。喷涂法的硬质聚氨酯泡沫，陈化过 程中乳白时间为3~4 s，拉丝时间10~15 s，不粘时 间15~20 s，15 min硬化。不一样的陈化时间对导 热系数产生的干扰数据如表2所示。

从表2可以发现，聚氨酯硬泡沫在初始阶段， 导热系数低，通过24 h后，在陈化时间增加进程 泡孔里发泡剂已经相对稳定，因此导热系数也趋 于稳定情况。

（4）密度的影响
①密度对导热系数的影响

硬质聚氨酯泡沫的导热系数和密度联系紧 密，密度如果发生变化，导热系数也会随之改变。具体数据如表3所示。

根据表3数据可看出，密度值为31.5 kg/m 3 其 导热系数为0.0231 W/m·K；但当密度在35~60 kg/ m 3 时，导热系数明显降低；在密度超过60 kg/m 3 时，导热系数也随之增大，表明聚氨酯硬质泡沫 在35~60 kg/m 3 范围内的导热系数为较佳。四种 样品导热系数曲线如图1所示。

②密度对聚氨酯硬质泡沫性能的影响 

作为外墙保温性能的材料，尤其是当场喷涂 型硬泡，要考虑它自身材料的承重情况，在没有 任何方法的情况下，载重量要≤65 kg/m 2 ，密度不 应该<35 kg/m 3 ，综合各方因素影响，密度不应该> 60 kg/m 3 ,具体性能数据如表4所示。

由表4观察出，密度增大时抗压强度及抗拉 强度也随着增大，但导热系数趋于稳定时在密度 为40~55 kg/m 3 范围内，所以在配制聚氨酯硬质泡 沫时密度值应选取在此范围。

2.1.2粘合强度 聚氨酯硬泡为聚氨酯材料中的一类，结构中含有极性基团，提高了对其他材料的粘合性。特 别是喷涂法施工作用中，具有极佳的粘接效果。 具体数据如表5所示。

表5给出数据显示，不同材质墙体表现出与 聚氨酯的粘合强度也不同，以上表中4种材质粘 合强度最高的则是砂浆墙体。具体粘合强度曲 线图如图2所示。

2.1.3聚氨酯硬泡外墙保温效果 

由于采用了聚氨酯硬泡外墙保温措施，减少 了围护结构的温度应力，对柱体结构起了保护作 用，增加了柱体结构的使用寿命，且提高室内冬季 的室温度数，能够达到聚氨酯硬泡外墙保温效果。

3 结论 

绿色节能设计是建筑耗能节约的主要设计 趋势，但目前我国建筑节能水平远远低于发达国 家水平，尤其北方寒冷冬季的取暖措施，给环境 带来了沉重负担。在建筑耗能中以外围护结构 中的墙体耗能最大，所以文中利用聚氨酯硬泡外 墙保温技术对外墙进行保温措施，通过此种技术 的应用，保护了墙体的主体机构，增加了建筑物 的使用寿命；减少了潮气对墙体的侵蚀，并且提 高室内温度；施工作业过程中对环境污染小，操 作简单便捷，综合各种因素聚氨酯硬泡技术是绿色节能的主要形式。

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