孫立新，閆增峰，馮 馳

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑環(huán)境與節(jié)能研究院，北京 100013)

在實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的各種構(gòu)造措施中，建筑外墻外保溫系統(tǒng)是最為常見(jiàn)而重要的節(jié)能構(gòu)造措施，而薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)又是外保溫系統(tǒng)中最主要的形式.對(duì)于薄抹灰外保溫系統(tǒng)其抹面層是指外保溫系統(tǒng)中，采用抹面膠漿復(fù)合玻纖網(wǎng)薄抹在保溫層外側(cè)，保護(hù)保溫材料并起防裂、防火、防水和抗沖擊等作用的構(gòu)造層.抹面層的耐久性與對(duì)系統(tǒng)的熱濕狀況和耐久性密切相關(guān)，但在傳統(tǒng)的建筑外保溫和節(jié)能設(shè)計(jì)分析中，常常忽略了對(duì)外保溫系統(tǒng)中抹面層的內(nèi)熱濕耦合遷移研究與濕含量的控制，這極有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)面層開(kāi)裂，進(jìn)一步對(duì)建筑外保溫系統(tǒng)及乃至建筑本體產(chǎn)生不利影響，非但不能滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)要求，還可能加劇了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的冷凝與結(jié)露乃至發(fā)霉，又進(jìn)一步的增加裂縫數(shù)量和擴(kuò)大了裂隙寬度，影響系統(tǒng)的正常使用.另一方面，隨著建筑外保溫系統(tǒng)防火性能要求的逐步提高，巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)作為一種防火性能A級(jí)的外保溫系統(tǒng)在中國(guó)的用量逐漸增多.然而，巖棉作為無(wú)機(jī)多孔纖維介質(zhì)，其熱濕物理性能與傳統(tǒng)有機(jī)保溫材料又有著十分明顯的差異，尤其在水蒸氣透過(guò)性方面的差異巨大.一般而言，巖棉的濕阻因子僅為聚苯板的1/30左右[1].這些都表明了巖棉系統(tǒng)在熱濕耦合作用下含濕量控制與以EPS薄抹灰系統(tǒng)為代表的傳統(tǒng)有機(jī)板材外保溫系統(tǒng)的濕度控制方式和思路差異巨大.因此，研究抹面層對(duì)巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)在熱濕耦合作用下系統(tǒng)含濕量的影響，是當(dāng)前急需解決的一個(gè)重要問(wèn)題.

1 穩(wěn)態(tài)水蒸氣模型分析研究

受制于基礎(chǔ)理論研究的落后和數(shù)據(jù)支撐的缺乏，在我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合的計(jì)算方法與應(yīng)用分析也停滯不前.對(duì)于一般采暖建筑，在熱工設(shè)計(jì)中雖然允許結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定量的冷凝水，但是為了保證結(jié)構(gòu)的耐久性和保溫性，也根據(jù)材料性能的不同提出了不同的濕度限值.目前，分析和判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝的方法主要有Glaser法，該方法相對(duì)直觀易用，為世界上許多國(guó)家和地區(qū)所采用，并已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).目前，我國(guó)的GB50176-93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]當(dāng)中均采用該法，提出了一些措施和簡(jiǎn)化計(jì)算方法.與熱工規(guī)范的要求主要為控制保溫材料內(nèi)部發(fā)生的水蒸氣凝結(jié)略有差異，現(xiàn)有的外墻外保溫系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中主要控制抹面層內(nèi)測(cè)不結(jié)露.基于這些出發(fā)點(diǎn)，考慮到由于巖棉的水蒸氣滲透阻較小，透氣性好，因此一般要求抹面層也能有良好的透氣性.針對(duì)不同氣候條件，巖棉外保溫系統(tǒng)構(gòu)造中冷凝界面內(nèi)外側(cè)的蒸汽滲透阻，可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Ho,i為冷凝計(jì)算界面內(nèi)側(cè)所需的蒸汽滲透阻，m2·h·Pa/g；Ho,e為冷凝計(jì)算界面至圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面之間的蒸汽滲透阻，m2·h·Pa/g；Pi為室內(nèi)空氣水蒸氣分壓為，Pa；Pe為室外空氣水蒸氣分壓為，Pa；PS,C為冷凝計(jì)算界面處與界面溫度θc對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力，Pa；Δw為重量濕度的允許增量 (%) ，巖棉板(帶)的重量 濕度允許增量為3%.

按一維穩(wěn)態(tài)水蒸氣遷移模型分析，表1中所列氣候區(qū)的外保溫系統(tǒng)抹面層的水蒸氣滲透阻應(yīng)符合表1的規(guī)定才會(huì)避免出現(xiàn)結(jié)露等問(wèn)題.

表1 巖棉外保溫系統(tǒng)抹面層水蒸氣滲透阻Tab.1 Vapor resistivity of protecting coat in stone wool ETICS

我國(guó)的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-93)仍采用Glaser 模型分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的濕分傳遞過(guò)程，由于Glaser法是以穩(wěn)定條件下純蒸汽擴(kuò)散過(guò)程為基礎(chǔ)提出的冷凝受潮分析方法，因此其在判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝是有合理性的.從設(shè)計(jì)應(yīng)用的角度考慮，采用此法較為簡(jiǎn)單和偏于安全.但從理論上講，此法是不盡合理的，因?yàn)槠錄](méi)有科學(xué)地反映材料內(nèi)部的濕遷移機(jī)理.Glaser 模型是純蒸汽滲透的一維穩(wěn)態(tài)模型，但在實(shí)際過(guò)程中，濕分的傳遞常常是非一維、非穩(wěn)態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)濕分同時(shí)傳遞的，所以用現(xiàn)代的HAM 模型進(jìn)行分析會(huì)更合理.

2 熱濕耦合(HAM)模型下模擬對(duì)比分析

關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合模擬研究，目前國(guó)內(nèi)外還主要集中在基礎(chǔ)理論研究方面，如熱濕耦合遷移機(jī)理、模型的計(jì)算求解方法與試驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證等[5-14]，以指導(dǎo)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用研究為目標(biāo)的熱濕耦合模擬研究相對(duì)較少.其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孔凡紅對(duì)哈爾濱地區(qū)新建建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)干燥過(guò)程的熱濕耦合傳遞進(jìn)行了模擬研究，在考慮液態(tài)水的滲透和冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)濕分結(jié)冰的情況下分析了新建建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的干燥速率及對(duì)能耗的影響[15].張華玲等對(duì)深埋地下洞室的墻體進(jìn)行了熱濕傳遞的數(shù)值模擬，得到了墻體溫度、相對(duì)濕度、熱流率、濕流率的變化規(guī)律[16].孫喜山等模擬分析變物性狀態(tài)下了紅磚外保溫墻體在夏熱冬暖地區(qū)夏季在墻體內(nèi)部發(fā)生結(jié)露的危險(xiǎn)性[17].然而以系統(tǒng)構(gòu)造特性為研究出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)巖棉外保溫系統(tǒng)的熱濕耦合模擬研究目前還尚屬空白.

2.1 軟件介紹

為了更好的對(duì)巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的熱濕傳遞進(jìn)行分析，研究采用了德國(guó)Fraunhofer建筑物理研究所的WUFI軟件進(jìn)行模擬分析.WUFI是一款以HAM模型為理論基礎(chǔ)，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐觀測(cè)和校驗(yàn)修正的經(jīng)典熱濕耦合模擬計(jì)算軟件.WUFI滿(mǎn)足EN15026-2007和ASHRAE Standard 160-2009的計(jì)算方法和要求，并通過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)驗(yàn)證計(jì)算比對(duì).軟件以溫度和相對(duì)濕度為驅(qū)動(dòng)勢(shì).

2.2 模型建立

WUFI可以按圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造對(duì)墻體進(jìn)行分層設(shè)置，各層均可以獨(dú)立設(shè)置該層的材料熱、濕物性參數(shù)和厚度，設(shè)定完后可根據(jù)建筑特點(diǎn)設(shè)定構(gòu)造的朝向和高度.本研究所用構(gòu)造層依次為5mm抹面層、120 mm保溫層(巖棉、或EPS)、5 mm粘接層、200 mm混凝土基墻，模型為南向外墻(垂直)，高度為20 m以上.同時(shí)，WFUI在熱濕耦合計(jì)算中以溫度和相對(duì)濕度為遷移驅(qū)動(dòng)勢(shì)，因此各層材料的熱濕特性參數(shù)，除材料的密度、孔隙率、比熱等基本參數(shù)外，其余動(dòng)態(tài)熱濕參數(shù)如：材料的等溫吸放濕曲線，液態(tài)水的傳導(dǎo)系數(shù)、蒸汽滲透系數(shù)、溫度作用下的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線、溫度作用下的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線，焓隨溫度的變化曲線等動(dòng)態(tài)參數(shù)均以溫、濕度的函數(shù)表達(dá)式體現(xiàn).考慮到目前國(guó)內(nèi)尚缺乏可以直接應(yīng)用的外保溫系統(tǒng)的體系性熱濕物性參數(shù)，因此本文在材料的熱濕物性參數(shù)方面，直接選用了WUFI自帶材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的物性參數(shù)及特性[18].

2.3 邊界條件與初始含濕量、氣象參數(shù)的設(shè)定

邊界條件與初始含濕量的設(shè)定值，主要是依據(jù)國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心多年的工程材料測(cè)試為主提出的，部分參數(shù)參考了WUFI軟件的默認(rèn)設(shè)置，具體設(shè)定詳見(jiàn)表2、3[19-20].

表2 典型邊界條件Tab.2 Typical boundary conditions

表3 初始含濕量Tab.3 Initial moisture content

WUFI的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中給出了主要城市的典型氣象年的逐時(shí)溫度、相對(duì)濕度、降雨、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射，并對(duì)全年最高、最低以及平均溫度和年均濕度、總降雨量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).本研究選擇了WUFI氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的北京作為典型城市.模擬的計(jì)算周期為10 a.

2.4 抹面層不同液態(tài)水吸水系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響分析

無(wú)論是控制保溫材料內(nèi)部發(fā)生的水蒸氣凝結(jié)，還是外墻外保溫系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中主要控制抹面層內(nèi)測(cè)不結(jié)露，這種一維穩(wěn)態(tài)水蒸氣的計(jì)算方法均只考慮了抹面層的水蒸氣滲透阻，并未涉及其液態(tài)水的傳遞性能進(jìn)行.為此，本研究分別模擬分析了作為巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)抹面層透汽不吸水(抹面層吸水系數(shù)A為0 kg/m2s0.5，SD=1.2)和正常情況下(抹面層A為0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)構(gòu)造層的含濕量，并與EPS薄抹灰外保溫系統(tǒng)(混凝土基墻)正常情況下(抹面層A為0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)進(jìn)行了對(duì)比分析.

首先，通過(guò)改變系統(tǒng)抹面層的吸水系數(shù)，在其他邊界條件均一致的條件下，系統(tǒng)抹面層的含濕量發(fā)生了較大幅度的改變.當(dāng)抹面層吸水系數(shù)A為0 kg/m2s0.5時(shí)，抹面層最大含濕量不超過(guò)20 kg/m3,如圖1.而當(dāng)吸水系數(shù)調(diào)整為0.1時(shí)，抹面層的最大含濕量可達(dá)到近400 kg/m3，如圖2，為抹面層不吸水時(shí)的20倍之多.同時(shí)，進(jìn)行反向驗(yàn)證模擬分析.當(dāng)其它所有參數(shù)不變的情況下，將對(duì)抹面層水蒸氣傳遞的核心參數(shù)SD值(水蒸氣滲透阻比)進(jìn)行修改，將SD值設(shè)定為12時(shí)(相當(dāng)于抹面層滲透阻增大10倍)，抹面層的含濕量也沒(méi)有明顯的變化，如圖3.

圖1 巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)抹面層含濕量(A=0 kg/m2s0.5，SD=1.2)Fig.1 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS (A=0 kg/m2s0.5, SD=1.2)

圖2 巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)抹面層含濕量(A=0.1 kg/m2s0.5，SD=1.2)Fig.2 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS (A=0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步上述模擬結(jié)果將與EPS薄抹灰外保溫系統(tǒng)(混凝土基墻)正常情況下(抹面層A為0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)進(jìn)行了對(duì)比分析，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表4.

圖3 巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)抹面層含濕量(A=0.1 kg/m2s0.5，SD=12)Fig.3 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS (A=0.1 kg/m2s0.5,SD=12)

表4 初始含濕量Tab.4 Initial moisture content

可見(jiàn)，與傳統(tǒng)的水蒸氣計(jì)算模型相比，在熱濕耦合計(jì)算當(dāng)中抹面層的液態(tài)水吸收系數(shù)對(duì)該層和保溫材料的含濕量影響巨大(抹面層最大含濕量增大近20倍)，對(duì)基墻的含濕量也有較大程度的影響.即HAM模型分析中液態(tài)水(降雨)對(duì)系統(tǒng)含濕量的影響遠(yuǎn)大于水蒸氣(空氣相對(duì)濕度)的影響.這點(diǎn)與在穩(wěn)定條件下純蒸汽擴(kuò)散模型有著較大的差別.因此，建議根據(jù)降水量，尤其是在降水較多地區(qū)，除對(duì)巖棉薄抹灰系統(tǒng)的水蒸氣滲透阻提出要求外，還應(yīng)增加對(duì)系統(tǒng)抹面層吸水性能的要求，以控制系統(tǒng)內(nèi)的含濕量.

2.5 巖棉薄抹灰系統(tǒng)內(nèi)表面結(jié)露的模擬對(duì)比分析

通過(guò)表3巖棉系統(tǒng)與EPS系統(tǒng)的比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，由于巖棉自身的濕阻因子僅為聚苯板的1/30左右，因此當(dāng)采用與EPS系統(tǒng)濕物理性質(zhì)相似的抹面膠漿會(huì)導(dǎo)致保溫材料和混凝土基墻含濕量的增加，這些都可能會(huì)導(dǎo)致采用該系統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生結(jié)露或者發(fā)霉.為此，本研究利用WUFI軟件進(jìn)行了內(nèi)表面溫濕度模擬分析，并根據(jù)WUFI給出了發(fā)霉結(jié)露的溫濕度控制曲線進(jìn)行分析判斷.該曲線是基于德國(guó)Fraunhofer建筑物理研究所的大量工程研究與理論分析得到的，在圖中虛線以上部分出現(xiàn)的溫濕度分布點(diǎn)，是有可能造成系統(tǒng)內(nèi)表面的發(fā)霉結(jié)露的溫濕度點(diǎn).

可以看到，當(dāng)抹面層不吸水時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)表面沒(méi)有任何結(jié)露和發(fā)霉的危險(xiǎn)，但當(dāng)系統(tǒng)的抹面層改為常規(guī)抹面層的吸水系數(shù)0.1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)表面在熱濕耦合的作用下，系統(tǒng)墻體內(nèi)表面溫度和濕度分布規(guī)律與之前有了較大的變化，有可能出現(xiàn)大面的結(jié)露和發(fā)霉.如圖4～5所示.對(duì)于EPS系統(tǒng)而言，由于EPS本身的水蒸氣滲透阻很大，因此抹面層的吸水性對(duì)混凝土基墻的含濕量影響較小，因此，同樣也不存在結(jié)露或發(fā)霉的危險(xiǎn)，如圖6.

圖4 巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)內(nèi)表面溫濕度統(tǒng)計(jì)(A=0 kg/m2s0.5，SD=1.2) Fig.4 Temperture and RH statistics for the inner surface of stone wool ETICS(A=0 kg/m2s0.5，SD=1.2)

圖5 巖棉薄抹灰外保溫系統(tǒng)內(nèi)表面溫濕度統(tǒng)計(jì)(A=0.1 kg/m2s0.5，SD=1.2)Fig.5 Temperture and RH statistics for the inner surface of stone wool ETICS(A=0.1 kg/m2s0.5，SD=1.2)

圖6 EPS薄抹灰外保溫系統(tǒng)內(nèi)表面溫濕度統(tǒng)計(jì)Fig.6 Temperture and RH statistics for the inner surface of EPS ETICS

由此可以發(fā)現(xiàn)，EPS作為傳統(tǒng)外保溫系統(tǒng)，盡管采用薄抹灰系統(tǒng)的構(gòu)造做法和配套材料，但其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面不存在發(fā)霉和結(jié)露的危險(xiǎn).但巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)作為新興的系統(tǒng)，如果依然采用與EPS相同的指標(biāo)和配套材料，采用Glaser法的思路不對(duì)抹面層的液態(tài)水吸水系數(shù)做指標(biāo)要求，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)材料的含濕量大幅增加，對(duì)外保溫系統(tǒng)的耐久性造成影響，還有可能導(dǎo)致基墻的內(nèi)表面即室內(nèi)側(cè)出現(xiàn)結(jié)露和發(fā)霉，降低了室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生品質(zhì).

3 結(jié)論

研究通過(guò)對(duì)巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的Glaser法的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，以及熱濕耦合(HAM)模型中系統(tǒng)含濕量的模擬和分析，可以得到：

(1)在穩(wěn)態(tài)水蒸氣模型中，當(dāng)巖棉系統(tǒng)的抹面層水蒸氣滲透阻與基墻匹配時(shí)，可以控制系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)露，系統(tǒng)濕含量也不會(huì)明顯增長(zhǎng).這也證明了既有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中穩(wěn)態(tài)計(jì)算對(duì)寒冷地區(qū)較為寬松的水蒸氣滲透阻要求是能滿(mǎn)足外保溫系統(tǒng)質(zhì)量含濕量控制的要求.

(2)熱濕耦合(HAM)模型更貼近系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際應(yīng)用情況，液態(tài)水對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)構(gòu)造層的含濕量影響很大, 除對(duì)巖棉薄抹灰系統(tǒng)的水蒸氣滲透阻提出要求外，還應(yīng)增加對(duì)系統(tǒng)抹面層吸水性能的要求，以控制系統(tǒng)內(nèi)的含濕量.

(3)巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)與EPS系統(tǒng)不同，如不對(duì)抹面層的液態(tài)水吸水系數(shù)做指標(biāo)要求，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)材料的含濕量大幅增加，對(duì)外保溫系統(tǒng)的耐久性造成影響，還有可能導(dǎo)致基墻的內(nèi)表面即室內(nèi)側(cè)出現(xiàn)結(jié)露和發(fā)霉，降低了室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生品質(zhì).

研究通過(guò)穩(wěn)態(tài)水蒸氣模型和熱濕耦合模型的計(jì)算和模擬分析，提出了巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造的水蒸氣和液態(tài)水的分類(lèi)控制指標(biāo)建議，為巖棉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制奠定了技術(shù)基礎(chǔ).

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