聚氨酯硬泡技術在綠色建筑生態節能設計中的應用

（河北工業大學 土木與交通學院，河北 天津 300401）

摘 要：全球能源消耗比例中，建筑耗能占總能源消耗的比重較高。近年來建筑外墻保溫技術成為建 筑耗能節約設計中的主流技術，是我國綠色生態節能設計中的主流形式。傳統建筑外墻方法能耗較大 且保溫性能較差。提出將聚氨酯硬泡技術運用于建筑外墻保溫中，硬質聚氨酯泡沫是較優異的阻熱保 溫材料。首先，分析了現有的澆注聚氨酯硬泡保溫、噴涂聚氨酯硬泡保溫、粘貼聚氨酯硬泡保溫等聚氨 酯高效保溫節能技術。對以上三種方式的系統構成、操作流程及優勢分別闡述；其次，通過實驗對聚氨 酯硬泡技術系統性能參數進行分析，探討導熱系數及粘貼強度對聚氨酯泡沫保溫的影響；最后，通過實 際監測建筑室內溫度，運用聚氨酯硬泡技術后室內溫度明顯上升。實驗證明，聚氨酯硬泡技術應用于 建筑節能設計中，不僅降低了能耗，提高了室內溫度，而且大大降低了住宅單位面積二氧化碳的排放 量，達到了綠色節能設計的目的。

關鍵詞：建筑耗能；聚氨酯硬泡技術；外墻保溫
中圖分類號：TU532. + 63 文獻標識碼：A 文章編號：1001-7119（2017）01-0174-04
DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.01.037

文獻[1]中指出據資源利用司與發改委數據 統計，我國去年能源利用比例為32%，同比發達 國家低10%，而且單位產出的能源消耗則超過世 界平均水平的20% [2，3] 。文獻[4]提出能源消耗問 題現已成為限制我國經濟發展的關鍵因素之一， 解決能源問題需節約開采，降低能耗，另外也要 提高能源的利用效率。

 數據表明在總能耗中建筑的能源消耗大概 占29%，因此節約建筑能耗則是我國節約總能耗 的關鍵一個步驟 [5，6] 。因為對建筑能耗節約的需 要不斷增加，建筑外圍護結構綠色節能設計技術 也應運而生并快速發展，文獻[7]提到現今保溫技 術成為了建筑節能技術的基礎技術之一。

 目前我國建筑節能水平有限，文獻[8]提出在 建筑耗能中外圍護結構的熱耗能占很大的比例， 所以整個節能的關鍵環節是建筑墻體節能技術， 因此節約建筑能耗的關鍵辦法是要研究外墻保 溫技術與采用節能材料。我國建筑保溫節能方 法主要采用外墻外保溫方法，這種方法主要是把 保溫材料用粘連材料固定在外墻上，在保溫材料 外表面增加一層玻璃纖維網，在將涂刷粘結膠漿 讓保溫材料和墻體相互結合起來 [9，10] 。

1 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統

（1）施工過程 

噴涂法聚氨酯硬泡技術現場作業時，包括兩 種方法：涂料飾面法及面磚飾面方法?；緲嫵?為：聚氨酯隔潮底漆、噴涂硬質聚氨酯泡沫保溫 層、涂刷抗裂膩子、刷飾面涂料或者抗裂聚合物、 防護網、面磚飾面保護層。 

施工作業流程為：①基層清掃浮灰，整理凹 凸不平物②抹灰找平③刷聚氨酯隔潮底漆④噴 涂硬質泡沫保溫層⑤保溫表層處理⑥抗裂聚合 物砂漿找平⑦保護層

2）注意要點

 ①硬質聚氨酯泡沫外墻外保溫應是非常有 效的保溫系統，諸如熱橋部位包括墻體的梁柱、 室外陽臺及門窗洞口等位置需著重增加保溫效 果，在不容易噴涂的部位應該用涂抹的方法增加 保溫層或粘貼聚氨酯保溫材料，并且要先于噴涂 操作前。②基底墻體的凹凸程度不能大于3 mm，若超過此范圍應先將基底墻體找平后再進行施 工噴涂作業。基底墻體的干燥程度應是水分含 量不超過8%。③需要對墻面和噴槍的距離進行 合理設置，同時要保證噴槍具有精確的移動速 度。④在硬質聚氨酯泡沫外墻外保溫作業時，需 要將環境溫度提高到10℃以上，將作業風力提高 到5級以上，風速超過10 M/s，且雨天進行作業。

（3）噴涂聚氨酯硬泡技術的優勢 

噴涂法形成聚氨酯保溫層和墻體能夠達到 無縫銜接，可以做到有效保溫的作用，保證了導 熱系數低的要求，保溫效果優于EPS、XPS保溫材 料。由于該種材料是優良的粘結材料，與基層墻 體結合性較好，當受到不利溫度或濕度影響時， 仍然不與基底墻體分離，并能夠保證在潮濕環境 中具有穩定的性能。另外，硬質聚氨酯泡沫是高 強度且高穩定性的化學材料，若墻體變形時也具 備良好的適應能力和抗裂能力，確保整體系統狀 態的穩定。

1.2 澆注法聚氨酯硬泡外墻保溫 

（1）施工過程 

澆注法聚氨酯硬泡沫保溫外墻主要由4個部 分組成：硬質聚氨酯泡沫保溫層、外墻基底墻體、 聚合物混合砂漿保護層、界面層。其施工工藝包 括兩種：可拆模板及置入式模板，前者模板拆除 可重復使用，所以更符合建筑節能設計要求，下 面主要介紹可拆模板澆注法作業流程。

施工流程為：①基底墻體進行治理；②在基 礎板表面添加隔離劑；③澆注聚氨酯硬泡沫；④ 對澆注模板進行拆卸；⑤界面層處理；⑥抹灰找 平；⑦涂刷涂料。

（2）注意要點 

①施工環境溫度要在10℃以上，墻面水分的 含量不得超過8%，在雨天無防雨設施的情況下 不能進行施工。②在進行模板澆注時，模板固定 牢固，在一定的時間間隔后進行分批加入，且澆 注量不能過多，防止模板變形開裂，泡沫密度在 35~60 kg/m 3 。③該模板需要進行保溫表層的界 面處理，模板完成后應檢查模板是否有殘缺，保 證模板保溫層穩定性。

（3）澆注法聚氨酯硬泡技術優缺點
澆注法硬質聚氨酯泡沫外墻保溫和噴涂法對比不受環境條件的制約，對施工人員的技術水平要求不高。澆注法模板表面的平整度較高，施工作業時也利于操作。但澆注法施工時在封閉 的模腔內進行聚氨酯發泡，如何更好地緩解在澆 注模板初期產生的漲裂問題，一直是澆注法聚氨 酯外墻保溫施工的難點。

1.3 粘貼法聚氨酯硬泡外墻保溫 

利用粘貼法進行聚氨酯硬泡板外墻保溫過 程中，包含含聚氨酯硬泡保溫板抹灰系統及帶飾 面層的聚氨酯硬泡保溫板系統?；窘M成系統 為：水泥砂漿找平層、基底墻體、硬質聚氨酯泡沫 保溫板、水泥砂漿網格布、涂料飾面、聚合物粘結 砂漿、固定栓等。

施工方法包括條涂法和點框法。點框法將 混合好的粘結膠漿涂抹于硬質聚氨酯泡沫板周 圍，采用標注尺寸的聚苯板，膠漿涂抹于板面中 間位置的8個點，點直徑為100 mm，膠漿涂抹范 圍應不少于板面的60%。條涂法是將粘結膠漿 涂抹在板材背面，利用專用抹子保持45°角刮掉 多余部分膠漿。涂抹膠漿后，立刻將保溫板材粘 貼在墻體上，粘貼動作要輕、力道均勻。應按照 建筑外墻腳部位自下而上的方向粘貼粘貼聚氨 酯泡沫板，板材貼牢固后，使用專用工具將板邊 抹平，保證板與板之間平行對齊。

綜合以上聚氨酯硬泡技術，目前常用技術為 噴涂法聚氨酯外墻保溫技術，該方法技術難度不 復雜且優勢明顯。

2 聚氨酯硬泡技術系統性能參數

硬質聚氨酯泡沫作為保溫隔熱的材料之一， 導熱系數高低是檢驗保溫材料好壞的一項重要 指標，保證導熱系數低且穩定是研究硬質聚氨酯 泡沫保溫材料的技術難點。實驗表明，對聚氨酯 導熱系數產生影響的因素較多。

（1）影響硬泡聚氨酯導熱系數的因素 根據熱阻的概念，熱流通過單元體的導熱熱 阻為，公式如下：

R F =L/ ( ) Aλ F（1）
其中通熱面積為：
A=L2（2）

R F =1/ ( ) Lλ F（3）

其中， λ F 為硬泡綜合導熱系數。考慮到單元體中導熱，輻射對傳熱及氣固相共熱作用下，
綜合導熱系數為：
λ F =λ G +λ S +λ C（4）

其中， λ C 是代表輻射導熱系數； λ G 代表固相 導熱系數； λ S 代表氣相導熱系數

分析結果證明，硬泡孔徑小，泡孔里氣體對 流傳熱造成的損失熱量能夠忽略不進行計算。 硬泡導熱系數大小，是由泡孔內氣體導熱數值決 定的。

（2）泡孔內不同氣體成分的導熱系數 含不同泡孔里的氣體成分，會對硬質泡沫導 熱系數產生的不同影響，具體數據如表1所示。

由表1可看出，當發泡劑采用CO 2 時聚氨酯 泡沫導熱系數最高，可以合理調整氣體的比例來 改變導熱系數的數值。

（3）陳化過程對導熱系數的影響 

聚氨酯在發泡進程里，跟著材料粘度的提 高，泡孔構造會不停的增強，一直到泡孔整體閉 合產生閉孔。噴涂法的硬質聚氨酯泡沫，陳化過 程中乳白時間為3~4 s，拉絲時間10~15 s，不粘時 間15~20 s，15 min硬化。不一樣的陳化時間對導 熱系數產生的干擾數據如表2所示。

從表2可以發現，聚氨酯硬泡沫在初始階段， 導熱系數低，通過24 h后，在陳化時間增加進程 泡孔里發泡劑已經相對穩定，因此導熱系數也趨 于穩定情況。

（4）密度的影響
①密度對導熱系數的影響

硬質聚氨酯泡沫的導熱系數和密度聯系緊 密，密度如果發生變化，導熱系數也會隨之改變。具體數據如表3所示。

根據表3數據可看出，密度值為31.5 kg/m 3 其 導熱系數為0.0231 W/m·K；但當密度在35~60 kg/ m 3 時，導熱系數明顯降低；在密度超過60 kg/m 3 時，導熱系數也隨之增大，表明聚氨酯硬質泡沫 在35~60 kg/m 3 范圍內的導熱系數為較佳。四種 樣品導熱系數曲線如圖1所示。

②密度對聚氨酯硬質泡沫性能的影響 

作為外墻保溫性能的材料，尤其是當場噴涂 型硬泡，要考慮它自身材料的承重情況，在沒有 任何方法的情況下，載重量要≤65 kg/m 2 ，密度不 應該<35 kg/m 3 ，綜合各方因素影響，密度不應該> 60 kg/m 3 ,具體性能數據如表4所示。

由表4觀察出，密度增大時抗壓強度及抗拉 強度也隨著增大，但導熱系數趨于穩定時在密度 為40~55 kg/m 3 范圍內，所以在配制聚氨酯硬質泡 沫時密度值應選取在此范圍。

2.1.2粘合強度 聚氨酯硬泡為聚氨酯材料中的一類，結構中含有極性基團，提高了對其他材料的粘合性。特 別是噴涂法施工作用中，具有極佳的粘接效果。 具體數據如表5所示。

表5給出數據顯示，不同材質墻體表現出與 聚氨酯的粘合強度也不同，以上表中4種材質粘 合強度最高的則是砂漿墻體。具體粘合強度曲 線圖如圖2所示。

2.1.3聚氨酯硬泡外墻保溫效果 

由于采用了聚氨酯硬泡外墻保溫措施，減少 了圍護結構的溫度應力，對柱體結構起了保護作 用，增加了柱體結構的使用壽命，且提高室內冬季 的室溫度數，能夠達到聚氨酯硬泡外墻保溫效果。

3 結論 

綠色節能設計是建筑耗能節約的主要設計 趨勢，但目前我國建筑節能水平遠遠低于發達國 家水平，尤其北方寒冷冬季的取暖措施，給環境 帶來了沉重負擔。在建筑耗能中以外圍護結構 中的墻體耗能最大，所以文中利用聚氨酯硬泡外 墻保溫技術對外墻進行保溫措施，通過此種技術 的應用，保護了墻體的主體機構，增加了建筑物 的使用壽命；減少了潮氣對墻體的侵蝕，并且提 高室內溫度；施工作業過程中對環境污染小，操 作簡單便捷，綜合各種因素聚氨酯硬泡技術是綠色節能的主要形式。

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