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摘要:被動式超低能耗建筑(被動式建筑)是指充分利用自然環境和資源,將自然通風、自然采光、太陽能輻射和室內非供暖熱源得熱等各種被動式節能手段與建筑外圍護結構保溫、隔熱節能技術相結合建造而成的建筑。...

國內被動式建筑門窗洞口是如何密封的?

一、  

被動式超低能耗建筑(被動式建筑)是指充分利用自然環境和資源,將自然通風、自然采光、太陽能輻射和室內非供暖熱源得熱等各種被動式節能手段與建筑外圍護結構保溫、隔熱節能技術相結合建造而成的建筑。常規的綠色建筑節能效果一般在 50%~75%,而被動式建筑節能效果超過 90%,是未來建筑節能減排的重要途徑。

被動式建筑具有高性能的外保溫、無熱橋設計、氣密性良好的外圍護結構等三大特征。它對外墻、屋面、地面及門窗組成的外圍護結構的氣密性要求較高,其中墻體與門窗之間的節點過渡又是極其薄弱的部位,一直是建筑中的能耗大戶。據統計,通過過渡位置消耗的能耗約占整個建筑能耗的 40%。另外,建筑門窗周邊經常因密封設計差導致室內產生滲漏、霉變、結露等問題,因此過渡位置的節能、防水是被動式建筑中極受關注的重點。

針對門窗洞口防水、節能問題,國外一般在墻體與門窗之間的節點過渡位置采用高效的防水密封系統,這種密封系統由防水隔汽膜和防水透汽膜兩種新材料組成(如圖1),顯著地提高了外窗的保溫氣密性,同時解決了窗戶節點的節能、防水問題。與之相比,國內以往對門窗節點過渡位置的防水密封性并不重視,傳統建筑采用的泡沫膠和防水耐候膠密封處理方法因材料易老化失效,并不能完全解決門窗位置滲漏和能耗問題。

 

1 防水密封膜室內外應用

關于這種專用門窗洞口用防水密封膜材料,目前國內尚無一家企業生產,國內被動式建筑示范項目均直接采用國外進口產品。而國內建筑防水卷材主要用于墻體及屋頂防水,比如外墻或屋頂用防水透汽膜與隔汽膜。但是國內防水卷材生產廠家有近100 家,存在嚴重的產品同質化問題,且國內技術工藝水平較低,產品質量參差不齊。以往國內防水卷材多采用編織打孔工藝,產品在強度、防水及耐久性方面與國外產品存在較明顯差距,近些年國內防水卷材技術發展趨向于效仿國外無紡布層合工藝,但是因國內民營企業研發能力弱,復合技術及成型工藝不成熟,選用基材質量較差等問題,導致產品仍存在易剝離、透汽性差、易老化等問題。因此,市場競爭力不強,目前宏觀形式上還是由德國、美國引領著高端防水材料的發展潮流。

過去國內并無門窗洞口專用防水密封膜的概念,以往的綠色建筑節能標準中也從未提及此種材料。直到2009 年住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心與德國能源署在中國推廣被動式建筑,這種防水密封膜新材料才開始被引入到國內。2015 年出版的河北省《被動式低能耗居住建筑節能設計標準》(以下簡稱《河北標準》)中對此防水密封膜材料的性能指標第一次予以規定,該標準也是國內第一部關于被動房的標準。但《河北標準》中只是純粹照搬德國標準,材料性能檢測標準和指標完全采用德國標準,不利于國內被動式建筑及其配套新材料的發展。因此,2017 年住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心牽頭編制黑龍江省《被動式低能耗居住建筑節能設計標準》(以下簡稱《黑龍江標準》),要求根據國內檢測標準和我國不同地域氣候變化大等特點對新材料指標重新規定,其中針對門窗洞口用防水密封膜材料的標準化,住建部委托中材科技南京玻璃纖維研究設計院(以下簡稱“南京玻纖院”)承擔相關工作。目前,《黑龍江標準》的報批稿已經完成,有關防水密封膜的指標設定值已被收錄于《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》國家建筑標準設計圖集(16J008-8)中。

南京玻纖院在開展防水密封膜標準化工作中主要包括兩項內容:一是將德國標準與國內標準進行對標,篩選合適的檢測標準用于防水密封膜性能檢測;二是采用對標后確定的國內標準對國外進口產品進行性能檢測和分析。為加深國內對被動式建筑門窗洞口用防水密封膜材料的了解,本文將對防水密封膜及其標準化研究進行介紹。

二、門窗洞口用防水密封膜的結構、功能及應用研究

門窗洞口用防水隔汽膜與防水透汽膜均是三層夾芯結構,由上下兩層無紡布和中間一層高分子功能膜復合而成。其中無紡布主要用于增強力學性能和保護高分子功能膜,高分子功能膜決定防水膜的隔汽性能與透汽性能。

防水隔汽膜的中間高分子功能膜采用高分子隔汽膜,表面致密無孔,具有防水和隔汽功能。防水透汽膜的中間高分子功能膜采用高分子透汽膜,其透汽機理可分為微孔透汽和分子擴散透汽。微孔透汽的原理是高分子透汽膜表面上均勻分布大量的微孔,水蒸汽分子直徑為0.0004μm 左右,水分子直徑為100μm左右,兩者相差極大,當高分子透汽膜表面微孔的直徑介于水蒸汽分子和水分子之間,則水蒸汽可以通過,而水分子因存在較大的表面張力而無法滲透,從而具有防水與透汽雙重功能。分子擴散的透汽原理只適用于熱塑性聚氨酯(TPU)透汽膜,TPU 透汽膜表面致密無孔,因此具有良好的防水性能;而TPU 作為一種高分子共聚物,分子鏈由軟鏈段和硬鏈段組成,軟鏈段具有親水性,可吸附水蒸汽分子,在兩側壓力差的作用下,水蒸汽分子可沿著軟鏈段與硬鏈段間的空隙滲透,因此具備透汽性能。

由防水隔汽膜與防水透汽膜組成的門窗密封系統,如圖2 所示,防水隔汽膜用于室內一側,既可以阻斷室外側水蒸汽向室內滲透,保證室內門窗周邊的防水、防潮和防霉,又可以隔斷室內外空氣的相互滲透,避免由空氣滲透產生的熱交換,保證建筑氣密性,從而減少建筑能耗。防水透汽膜用于室外一側,既可以防止雨水向墻體的滲漏,保證建筑水密性,又可以利用自身透汽性能排出墻體內的水蒸汽,從而避免墻體內的保溫層被水汽潤濕而失效,保障保溫節能效果。

 

2 應用防水密封膜的被動式建筑窗口部位結構圖

三、防水密封膜檢測標準對標工作

門窗洞口用防水密封膜主要性能包括厚度、單位面積質量、拉伸斷裂強力、斷裂伸長率、燃燒性能和透濕性能,通過對這些性能的德國檢測標準以及國內相關標準進行對比分析,最終以國內建材行業相關標準替代德國標準,標準內容見表1 所示。

1 門窗洞口用防水膜檢測標準國內外對標情況

 

四、國外防水密封膜檢測分析

采用對標后的國內標準對國外兩家公司的防水密封膜進行測試,并對測試數據展開分析,結果如下:

1防水隔汽膜性能分析

國外兩家公司的防水隔汽膜的性能檢測結果見表2所示。

2 國外防水隔汽膜性能對比

 

由表2 可知,兩家公司的防水隔汽膜均具有較好的綜合性能。防水膜的厚度與單位面積質量主要由兩層無紡布和中間高分子功能膜的尺寸規格共同決定。公司Ⅰ防水隔汽膜的厚度為0.503mm,略大于公司Ⅱ的0.474mm;兩者單位面積質量基本相近。

防水膜的拉伸性能主要由無紡布決定,取決于無紡布的厚度、材質、成型工藝等因素。公司Ⅰ防水隔汽膜縱向的拉伸斷裂強力和斷裂伸長率分別為807N/50mm14.5%,比公司Ⅱ的735N/50mm 12.0% 略高;公司Ⅰ防水隔汽膜橫向的拉伸斷裂強力和斷裂伸長率分別為149N/50mm 121%,遠高于公司Ⅱ的96.8N/50mm56.8%,因此公司Ⅰ防水隔汽膜的拉伸性能較優于公司Ⅱ。

防水膜的燃燒性能主要取決于無紡布和高分子功能膜的材質。經過測試表明,兩家公司的防水隔汽膜燃燒性能均不合格,這是因為國外防水隔汽膜的無紡布和高分子膜不具備阻燃性能。而通常國外對防水隔汽膜的燃燒性能測試之所以合格是因為國外的測試對象為防水密封膜應用后的門窗整體系統,并不是直接對防水密封膜進行燃燒測試。

防水膜的透汽性能主要由透汽機理和膜厚度決定,可由透濕率、濕阻因子和水蒸汽擴散阻力值表征。透濕率(Wp)是指在單位水蒸汽壓力差作用下,單位時間內通過試樣單位面積的水蒸汽的質量,透濕率越高,膜的透汽性能越好。透濕率與試樣厚度的乘積為試樣的透濕系數(δp),而空氣的透濕系數(δa)除以試樣的透濕系數(δp)則表示試樣的濕阻因子(μ),濕阻因子代表了試樣的抗水蒸汽透過能力,即濕阻因子越大,膜的透汽性能則越差、隔汽性能越好。濕阻因子與厚度的乘積為試樣的水蒸汽擴散阻力(Sd),表示試樣的水蒸汽擴散等效空氣層厚度,Sd 值越小,膜的透汽性能越好,反之膜的隔汽性能則越好。

膜的透濕性能參數的計算關系如下:

 

國外公司Ⅰ防水隔汽膜的透濕率、濕阻因子和Sd值分別為6.4×10-9g/(m2·s·Pa)7.8×104 39.2m,而公司Ⅱ的防水隔汽膜的透濕率、濕阻因子和Sd 值分別為5.0×10-9g/(m2·s·Pa)8.8×104 41.7m,兩者相差不大,均具有良好的隔汽性能。

2防水透汽膜性能對比分析

國外兩家公司的防水透汽膜的性能檢測結果見表3所示。

3 國外防水透汽膜性能對比

 

由表3 可知,公司Ⅰ防水透汽膜的厚度和單位面積質量分別為0.574mm 195.9g/m2,均高于公司Ⅱ的防水透汽膜,并且公司Ⅰ防水透汽膜的綜合拉伸性能要優于公司Ⅱ,這可能是因為前者的厚度和單位面積質量更高。同樣因為兩家公司防水透汽膜所用材質不具備阻燃性能,因此材料本身的燃燒性能不合格。公司Ⅰ防水透汽膜的透濕率、濕阻因子和Sd 值分別為4.0×10-8g/(m2·s·Pa)1.1×104 6.3m, 而公司Ⅱ防水透汽膜的透濕率、濕阻因子和Sd 值分別為6.5×10-7g/(m2·s·Pa)8.4×102 0.41,可以發現公司Ⅱ的防水透汽膜的透汽性能比公司Ⅰ高一個數量級,因此公司Ⅱ的防水透汽膜的透汽性能更佳。

綜上所述,國外兩家公司的防水隔汽膜的拉伸性能和隔汽性能均較好,隔汽性能幾乎相近;公司Ⅱ的防水透汽膜的拉伸性能雖然略低于公司Ⅰ,但是前者的透濕性能卻更好,更符合應用要求。

五、《黑龍江標準》防水密封膜性能指標

根據以上測試結果與分析,結合現階段國內被動房發展的實際需求,為正在編制的《黑龍江標準》設定了門窗洞口用防水密封膜材料主要性能指標建議值,指標內容見表4 所示,目前已被收錄于《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》國家建筑標準設計圖集(16J008-8)中。

4 國內被動式建筑門窗洞口用防水密封膜材料的應用指標

 

六、未來展望

從宏觀形勢上看,未來幾年將是中國被動式建筑高速發展的黃金時期,門窗洞口用防水密封膜等新材料的市場需求將越來越大,具有廣闊的應用前景。

從材料研發及應用上來看,我國具有地域廣、氣候差別大的特點,比起德國因氣候單一而使防水密封膜具有較大的適用性。我國門窗洞口用防水密封膜的開發應根據不同應用區域的氣候特點,選擇不同材料來滿足多種要求,比如采用玻纖布取代高分子無紡布,將使防水膜的耐堿性能和阻燃性能得到極大地提高;比如采用數值模擬分析手段設計不同氣候區的上墻施工工藝。

從標準化方面來看,目前《黑龍江標準》中只是對防水密封膜的厚度、單位面積質量、拉伸性能和透濕性能等予以規定,而這種防水膜材料的耐老化、延展性、剝離強度、防水等性能也很重要,因此未來還需要不斷地予以補充優化。另外,隨著被動式建筑不斷發展,一旦時機成熟,必將很快就會開展被動式建筑行業標準或國家標準的編制工作。

七、   

被動式建筑門窗洞口用防水密封系統主要由防水隔汽膜與防水透汽膜組成。防水隔汽膜用于室內一側,防水透汽膜用于室外一側,可以完全保證門窗周邊的防水、防潮和防霉,并保障墻體內保溫層的干燥,避免被水汽潤濕而失效,從而起到良好的保溫節能效果。

國外兩家公司的防水密封膜的拉伸性能、透汽性能和隔汽性能各有優劣,并以國外產品的綜合性能檢測結果為基礎,制定了黑龍江標準性能指標建議值,詳細指標為:防水隔汽膜的縱向拉伸性能為:拉伸斷裂強力500N/50mm,斷裂伸長率≥ 10%;橫向拉伸性能為:拉伸斷裂強力≥ 80N/50mm,斷裂伸長率≥ 50%。防水透汽膜的縱向拉伸性能為:拉伸斷裂強力≥ 450N/50mm,斷裂伸長率≥ 10%;橫向拉伸性能為: 拉伸斷裂強力≥ 60N/50mm, 斷裂伸長率≥ 60%。防水隔汽膜的透濕性能為:透濕率≤ 9×10-9g/(m2·s·Pa)Sd 值≥ 30;防水透汽膜的透濕性能為透濕率:≥ 4.0×10-7g/(m2·s·Pa)Sd 值≤ 0.5

 

 

原標題:技術丨國內被動式建筑門窗洞口都是怎么密封的?

(本文來源: 綠圈網 文徑網絡數據中心:劉真 尹維維 編輯 方俊 文徑 審核)

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