超低能耗房屋与酚醛泡沫防火保温材料

1、超低能耗房屋与酚醛泡沫防火保温材料上海市合成树脂研究所原总工程师 殷宜初 前言 未来 5 年仍是中国工业化、城镇化继续推进的 阶段，要继续保持各个部门能耗强度明显下降的态势，其难 度也将明显增加。我国建筑能耗为发达国家的三倍，约占我 国总能耗的 30%。因此我国政府必须狠抓建筑节能工作，大 力推广应用国外房屋设计和绝热保温新理念，才能大幅度降 低建筑能耗。 超低能耗房屋就是欧洲近年来发展这种新理 念而实现的重大创新改革，使建筑节能达到最低碳排放，甚 至零排放的先进水平。超低能耗房屋超低能耗房屋(Passive house,也有人译为被动式房屋)首先是一位德国专家沃夫冈费士特(Wolfgang

2、Feist)在1988年提出来的理念，这类房屋不主 动采用中央空调或外来热电进行取暖或制冷。主要的理念是 使热量的传递、对流和幅射在整座建筑设计上更为合理,尤 其是使用超厚高效保温材料,加上三层隔离窗、自动通风、 热回收系统等配置结合,能最大限度地降低能耗,使屋内始 终处于冬暖夏凉的恒温恒湿和新鲜空气的舒适环境中。符合 超低能耗房屋的标准是：每年每平方米低于 15kwh ,仅是一 般传统房屋的 10%,能耗极低。因此未来建筑节能的奋斗目 标应是超低能耗房屋。图 1 是超低能耗房屋的设计示意图。图1 超低能耗房屋的设计示意图图 2 德国超低能耗高层建筑世界上第一批超低能耗 （被动式）房屋建于 1

3、990 年，是位于德国达姆施塔特 （ Darmstadt） 的四排连体房屋 . 沃夫冈费士特随后于 1996 年建立了达姆 施塔特超低能耗房屋研究所，到 2010 年世界上已建成约 25000 栋房屋，主要分布于德国、奥地利和欧洲其他国家。 美国于 2003 年才建成第一座超低能耗房屋。而世界上第一 栋旧房改造成超低能耗房屋位于爱尔兰，建成于 2005 年并 获得认证许可。而美国第一栋约 240 平方米旧房改造成的超 低能耗房屋位于加州，在 2010 年 7 月建成并获得认证。2010 年上海世博会里有座德国的专业馆，叫做汉堡之 家，就是一座运用最新超低能耗房屋设计、采用高效超厚保 温材料与环

4、保技术建成的绿色建筑。这种建筑隔热性能极 好，能耗极低，能源不需依赖外部蒸汽或电力供应，冬天仅 用太阳能或地下热源以及居住者的体温即可保暖。据汉堡之 家的建筑师声称德国已在 2010 年秋季建成现代化的超低能 耗高层建筑德意志银行（见图 2）。近年来我国朗诗等地产商通过运用大量超低能耗（被动 式节能）技术，大大降低建筑能源消耗，综合保温性能 4 倍 于普通的节能住宅，业主为此每年将节约下大量的能源开销 费用。 2010年 2月 5日，苏州朗诗国际街区荣获建设部“绿色建筑三星标识” ，这是目前中国最高标准的绿色建筑认证。朗诗以 80综合节能率在行业中跨越了一大步。 我国建 筑能耗约占全国总能耗的

5、 30以上，预计到 2020 年，房屋 在建造和使用过程中的能耗将占社会总能耗的 40。建筑节 能是缓解我国能源紧缺矛盾、 改善环保条件、 减轻环境污染、 促进经济持续发展的一项直接的、廉价的系统工程，其中房 屋隔热是这一系统工程中的重要一环。根据建筑节能“九 五”计划和 2010 年规划，现有城镇建筑需进行节能改造的 约有 100 亿平方米，仅屋顶隔热材料每年就需消耗1亿多平方米，如果所有建筑都能达到超低能耗房屋的标准，即每年 每平方米低于 15kwh ，相当一般传统房屋能耗的 10，这将 对国家和人民做出多么了不起的贡献！ 超厚高效的墙体 保温材料 超低能耗房屋只有依靠超厚高效的墙体保温

6、材料才能实现隔绝热量，无机保温材料早在十年前因生产过 程耗能高、导热系数大、吸湿性高、节能效果差、以及对人 体皮肤刺激和易致矽肺等原因， 无法充当建筑节能 65的主 体保温材料而被淘汰出市场，以后十多年来在建设部门的推 动下采用节能效果更好的膨胀聚苯乙烯泡沫（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫（XPS）、聚氨酯泡沫（PU），用于薄抹灰外墙外保 温系统，对多层和高层建筑群进行大规模节能改造，这三种 保温材料虽然能够达到节能 65，但火灾隐患却大大增加 了。EPS、 XPS、 PU 均属有机保温材料，最大的优点是质轻、保温、隔热性好，最大的缺点是防火、安全性差，易 老化、易燃烧。燃烧时烟雾大、毒性大。特别

7、是 EPS 泡沫、 XPS泡沫，耐火性极差，在 80 C以上就软化变形熔融滴落。 正因为此，在欧美等发达国家，对重要建筑、高层建筑进行 外墙保温，一般都要求对保温系统和绝热材料作燃烧性能及 耐火极限试验，且分为若干等级。不同等级的系统和材料适 用不同范围的建筑防火要求。到目前为止， EPS 板薄抹灰外 墙保温系统由于涉及严重防火问题，在美国有 20 多个州禁 止使用；在英国，18米以上建筑不允许使用 EPS板薄抹灰 外墙保温系统；在德国，22米以上建筑不允许使用 EPS板 薄抹灰外墙保温系统。实际上， 2009 年 2 月 9 日发生的央视大火，就已经暴露出了外墙保温材料的易燃问题。当时 央视

8、大楼使用的外墙保温材料是XPS，它遇火熔化后会产生滴落物，滴落物会由下向上形成烟囱效应引发更严重的立体 式燃烧，并迅速蔓延到整个大楼。因此易燃外墙保温材料的 高层建筑一旦着火几乎不可扑救，如 2011 年 2 月 3 日沈阳 第一高楼万鑫酒店的大火从 10层烧到 37层总共才不到 5分 钟，因此由 EPS、XPS 保温材料引发的火灾蔓延极快。 而 PU 虽然是热固性材料，遇火不会熔化滴落，但 PU 着火后烟雾 毒性更大。根据对 2010 年 11 月 15 日上海胶州路火灾事故 分析， 90以上人员的伤亡，主要由于 PU 在燃烧过程中释 放出大量含有氰化氢等剧毒烟气造成的。火灾中 PU 材料烧

9、起来黑烟弥漫，大部分遇难群众都是吸了两口烟气就立即死 亡。上海火灾发生后， 公安部消防局副局长朱力平公开表示 : 从更多火灾来看，聚氨酯泡沫等易燃装修材料已经成为当前 火灾中群众遇难的罪魁祸首。不解决中国建筑节能保温技术 系统中的泡沫保温材料防火安全，以及整个建筑保温防火安 全问题，中国诸多建筑节能工程将留给后人无法回避的建筑 火灾大隐患。一位有着 30 年灭火经验的消防局人士说： “如 果不在材料上杜绝隐患，一定会再出现上海胶州路大火这样 的悲剧。”中国城市人口高度密集、建筑群密集，以多层和 高层为主建筑群居多，大面积使用易燃泡沫塑料作保温层， 不管是在室内还是室外，均存在火灾的隐患。 第三

10、代保 温材料 20 世纪 80 年代，国外科学家通过对酚醛树脂及 其制品进行研究，发现它们具有突出的难燃、无烟、无毒特 性 (Fireproof, Smokeless, Toxicity free, 简称 FST 特性 )。制成 的酚醛泡沫(Phenolic Foam，简称PF)的难燃程度是 PS和 PU所远远不及的。厚仅30mm的PF平板经受1700 C火焰喷 射10 分钟后，仅表面略有炭化却烧不穿，既不着火也不散 发浓烟和毒气。20 世纪 90 年代以来，包括 PF在内的酚醛复合材料得到很大发展，首先受到英、美等国家 军方重视，将其用于航天航空、国防军工领域中。例如波音 飞机的舱壁夹层中就

11、是用PF保温，舱外在一万多米高空时气温约零下50 C,由于用了 PF保温，能保证舱内乘客处于 舒适安全的环境中。后来 PF 又被应用于船舶、车站、油井 等防火要求严格的场所，并逐步推向医院、体育设施和大楼 住房等公共与民用建筑领域1-4。 PF由于导热系数低， 相比传统的保温材料如岩矿棉、玻璃棉及膨胀珍珠岩等，其 节能保温性能高约一倍。人们公认其节能保温性能居于所有 保温材料之首，也有人称其为”保温之王”或“第三代保温 材料”。从表1可见，如膨胀珍珠岩保温层厚度需60mm,而PF只需 25mm 就可达到同样保温效果。国外 PF 外墙外保温应用实例 近年来作者在参加国 际会议、考察或技术交流期间

12、对PF 也做了调查研究，以下就欧、美、日几家具有代表性的PF 生产厂商的产品和应用作一介绍5-7。（ 1）英国金斯潘（Kingspan）公司是世界上最大的 PF 生产厂家之一。 它的 PF 商标名 Kooltherm, 根据用途不同分成 10个牌号。其中 K5 EWB 是外墙外保温 专用泡沫板， 1980年金斯潘公司就开始进行外墙外保温的应 用, 据称该公司目前每月向客户提供 K5 EWB 约 15万平方 米8。 中国PF行业在2011年7月组成考察团参观了曼 彻斯特的湖滨开发区四栋公寓大厦 （见图 3），该公寓于 1961 年建成， 2006 年进行保温改造。 金斯潘公司提供了 K5 EWB

13、 泡沫板，这是既有高层建筑旧房改造工程的典型成功案例。考察团又在伦敦郊区 Hamlets 参观了一处高层建筑旧房改造 工地，三栋住宅高楼正好处于改造前、改造后和改造中的情 景，让人一目了然。考察团还参观了伦敦市区在建高层新楼 房现场（见图 4），让大家亲眼目睹了 PF 保温系统施工全过 程。图 3 曼彻斯特高层建筑旧房改造图 4伦敦在建高层新楼房值得一提的是考察团访问了位于 Watford 知名的 BRE （Building Research Establishment） 创新园区 , 英国建筑界在那 里用最新设计理念和材料建成的超低能耗（被动式）房屋和 绿色生态环境， 园区里有十多栋样版房被

14、 BRE 评为可持续性 绿色安全建筑而获奖。其中一栋绿白相间的三层楼房引起大 家的注意，它的外墙和屋顶都是用超厚金斯潘酚醛泡沫做保 温材料，使其达到零碳生态建筑标准，获得了 2007 年英国 住房大奖。这种被人们称为“ 21 世纪未来绿色之家”的生态 房屋设计， 已推广到欧洲大陆。在中英双方会议交流中，多次提到建筑消防安全设计和防火标准规范问题，英方介绍 了金斯潘酚醛泡沫都能达到 BS 476-6 和 BS 476-7 等英国标 准燃烧等级中的零级要求。英方对于我国近年来发生的几次 高层建筑大火也有所闻，在英国规定 18 米以上的建筑不准 用 EPS 等易燃或可燃材料， 对中国十多年来使用易燃

15、或可燃材料于高层建筑中表示不可理解。 他们认为 PF 能通过 BS 8414 就可用于任何高层建筑，它的保证使用期为 30 年，自 然寿命 60 年。目前 PF 在民用和公共建筑中应用已占首位 （60%）。 我们通过这次考察， 了解到近年在英国政府部 门的大力支持和推动下，用于建筑墙体上的PF以每年50 %的增长速度得到很大发展。学习英国先进技术，特别是英国 的外墙外保温系统施工技术和标准规范更先进更合理，值得 我们学习和借鉴。 “他山之石， 可以攻玉”，我们相信我国 PF 行业在政府部门的大力支持和推动下也会得到很大发展。 英国普玛洛克（PermaRock）制品公司是一家以生产 PF及 矿棉

16、等外墙保温板的知名厂家。普玛洛克制造的PF保温板的尺寸为900-1200mm x600mm，最厚不超过 100mm。导热 系数为 0.018W/mK ，防火性能达到 BS476-7 的 class 0。该公 司经多年来的开发研究，按照英国标准制定并实施了一套完 整成熟的施工应用技术体系规范，在 90年代就成功地将 PF 保温板应用在砖石或混凝土墙面上，而且无论新的或既有的 建筑、高层或低层建筑都可应用。经过检测试验和评审，有 关建设部门在 1997年 2月授予了该公司“普玛洛克酚醛外 墙保温系统”应用许可证（证号 041/97）。 表 2 列出了普玛 洛克酚醛外保温系统试验结果。普玛洛克Per

17、maRock外墙保温系统相适应的标准试验方 法和规范如下：BS 476:Part 6:1989 建筑材料和构造的燃烧试验： 产品火 焰传播测试方法BS 476 Part 7:1987 建筑材料和构造的燃烧试验： 产品的 火焰表面蔓延分级测试方法BS 874:1973 绝热术语的定义与测定绝热性能方法BS 5250:1989 建筑物内冷凝控制实施规范BS 5262:1991 外表抹灰实施规范BS 5628 : Part 3 用于砖石建筑实施规范：BS 6399: Part 2:1995 建筑物负荷：风负荷实施规范BS 8000:Part 10:1995 建筑工地上工艺技巧： 墙面抹灰实 施规范B

18、S 8104:1992 墙体暴露在风吹雨淋中评估实施规范BS 8200:1985 建筑物无承重外垂直围墙实施规范BS EN ISO 9002: 1994 质量体系：生产、安装、服务的 质量保证 （3）美国西碧（C.P.）化学公司建立于1966年， 多年来主要从事于酚醛树脂、表面活性剂、催化剂及相关发 泡设备的生产销售和研究开发9。30 多年来该公司致力于开发一种名为 Tripolymer 的 PF， 1975 年得到了美国能源部的 支持和认可，经过三年来的深入研究和试验，成功地将它推 出市场。如今公司在美国国内已有 8 个生产厂，在英国、德 国和澳大利亚也建立了工厂。 36 年来已在新建或既有

19、的民用和商用建筑上共装配了 3.9 亿平方英尺的 Tripolymer 。据称 在 911 事件中被毁的纽约世界贸易中心也曾用它作为墙体保 温材料。 此外，在美国各地的沃尔玛 (Wal-Mart) 大超市、万 豪( Marriott )大酒店和会议中心等知名建筑中都曾用过。 值 得一提的是在 25 年前用于水泥砌块中的 Tripolymer 至今仍 无损坏现象。 近年来西碧公司又开发了一种直接将发 泡浆料通过喷枪现场喷注到空心砖或中空水泥砌块中的专 利技术，发泡浆料是改性酚醛树脂共聚物与固化剂的双组份 Tripolymer 予聚体。 由于 Tripolymer 具有最好 的防 火性和隔音性，所

20、以它已广泛用于学校、医院和民宅。通过 美国标准 < 燃烧级别测试准则 >(ASTM E-119 )，证明没 有其它能现场喷注的有机泡沫可达到 Tripolymer 优良防火性 能。 (4) 日本旭化成 (Asahi) 建材 公司为了保护地球环境和改善居住环境，多年来对 PF 保温 材料进行了深入研究开发。近年来该公司推出了商标名为新 曙光(Neoma)的PF新产品10。在生产过程中，发泡剂采 用碳氢化合物代替会破坏臭氧层的CFC、 HCFC ，从而保护了地球环境。新曙光 PF 保温板已通过了日本、中国和英国 的防火等各项试验， 由于达到了日本标准 <

21、燃烧性 > 的技 术指标( JIS D1201) , 得到了日本不燃材料认定证书(证书 号：NM-0315 ),并且获得了日本经济产业厅和环境厅的节 能和环保大奖。 以下图 5显示新曙光由直径不到 100 微米的微小气泡构成，而 XPS 和 PU 的气泡要大得多 图 5 新曙光与 XPS、 PU 泡孔微观结构作者在 2011年 9月访问了旭化成公司东京总部，据称 新曙光 PF 保温板已在木结构房屋墙体上占有日本市场的二 分之一。该公司正在大力推广在外墙、屋面、天花板、地板 和隔墙等保温应用，并已制定了相应的施工技术规范。该公 司为了改善了人们健康、舒适、安全的居住环境，提出了新 曙光将成为新世纪新型高性能保温材料。 我国 PF 行