木結構建筑外墻保溫特性及熱濕耦合傳遞技術的研究進展

丁葉蔚 傅海燕 王 正 曹 瑜

( 南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

木材作為一種更環保、更貼近自然的建筑材料，獲得諸多建筑師喜愛[1-2]。木結構建筑在全世界范圍內已被證明是節能減排、可持續發展的綠色建筑，近年來，得益于大眾的認可和政府的推廣[3]，歐洲和北美發達國家的木結構建筑產業呈現快速發展趨勢，特別是在應對全球氣候變化、倡導綠色環保的新時代，木結構建筑因其造型優美、舒適、低碳等特點備受青睞。典型現代木結構建筑形式有北美的輕型木結構建筑、俄羅斯典型民居木刻楞等，但隨著木材加工技術的不斷改進，新型重型多高層木建筑已成為目前建筑行業的設計和研究熱點。國內外許多建筑類、材料類專家、學者針對重型多高層木建筑的材料、結構、力學性能等進行了多方位、多角度的研究，其中木結構建筑外墻保溫及熱濕性能是材料學研究的熱點之一。鑒于此，本研究通過梳理國內外對木結構建筑外墻保溫及熱濕性能的研究現狀，總結木結構建筑外墻保溫最新成果以及木結構建筑熱濕耦合傳遞研究進展，以期為進一步研究木結構墻體熱濕傳遞機理、木結構墻體改性等研究提供參考。

1 木結構建筑外墻保溫特性研究

建筑墻體的熱量傳遞是由導熱、熱對流和熱輻射3種基本熱傳遞方式中的一種或幾種所組成，其過程見圖1。熱量首先由室內空氣以對流換熱和墻體與室內物體間的輻射方式傳給墻內表面，再由墻內表面以固體導熱方式傳遞到墻外表面，最后由墻外表面以空氣對流換熱和墻與周圍物體間的輻射方式傳遞到室外環境。在其他條件穩定不變情況下，建筑物的室內外溫度差越大，傳遞的熱量也就越大。墻體傳熱要經過3個過程：表面吸熱、結構本身傳熱和表面放熱，其中表面吸熱和表面放熱統稱為表面換熱[4]。建筑墻體冷熱面的溫度差大小，直接關系到所傳遞熱量的大小，而墻體傳熱的快慢則由材料的比熱容、導熱系數等物理性能參數決定。木結構建筑外墻體為復合夾芯墻體，其包含覆面層、結構層、保溫層。對于輕型木結構而言，覆面層一般由外掛板、抹灰、防水隔熱材料及必要的剪力承擔構件木基結構板材和面用石膏板組成；結構層由建筑中承載外力的木框架承擔；保溫層用保溫隔熱材料，一般為保溫棉或巖棉等保溫材料進行框架填充[5]。

近年來，國內外相關專家學者對木結構住宅材料和保溫性能開展了一系列的研究。趙勇[6]在外墻保溫研究方面分析了輕型木結構建筑墻體不同木龍骨尺寸、間距，保溫材料對熱物理性能的影響，并采用Dest專業熱學分析軟件分析木結構住宅的保溫性能。孫辰[7]測定了不同保溫材料，木龍骨間距，木龍骨尺寸對墻體保溫的影響，并用ANSYS模擬測量結果，研究表明：保溫材料、木龍骨間距、木龍骨尺寸對墻體的傳熱系數測試均有影響，ANSYS軟件模擬輕型木結構墻體的傳熱得到的數據表明墻體熱流量大小排序為：石膏板＞OSB＞保溫板＞木龍骨＞玻璃棉，模擬與實測相關性達到0.9。 Kosny等[8]針對適用于住宅和小型商業建筑的雙層墻體、Larsen桁架墻體、最佳或先進的框架墻等4種墻體的保溫效果進行研究，結果表明：雙層墻體、Larsen桁架墻體具有更為優越的保溫效果。袁廷閣[9]以8種不同構造的輕型木結構墻體的保溫性能為研究對象，采用熱箱-熱流計法對8面墻體進行了傳熱系數測試，分析了保溫材料、木龍骨間距、木龍骨尺寸對墻體的及外保溫等對輕型木結構墻體保溫性能的影響，并將其與理論計算值、ANSYS模擬值進行對比，結果表明：采用交錯木龍骨或增大木龍骨間距可提高墻體的保溫性能；理論計算值、熱箱-熱流計實測值與ANSYS模擬值相對誤差在10%左右，且相關性高。楊靜等[10]利用熱流法對一棟瑞典輕型木結構墻體單元和試件的導熱系數測量研究，主要包括對其墻體試件傳熱系數的測定、墻體試件各組成單元導熱系數的測定、多層平壁和組合壁導熱系數理論計算值與墻體構件傳熱系數測定值等進行對比與分析，結果表明：用熱流法測定的輕型木結構墻體結構的傳熱系數具有精確、快速等優點；墻體試件的傳熱系數測定值與理論計算值相近；該輕型木結構墻體主體部分的傳熱系數均值為0.56 W/（m2·K），輕型木結構具有良好的保溫節能特性。之后，楊靜等[11]采用建筑圍護傳熱系數現場測試法，對內置兩種材質的玻璃保溫棉在同一輕型木結構房外墻圍護結構進行現場傳熱系數測定，以此比較墻體保溫系數的測試值與理論值，并優選保溫棉填充材料，結果表明：墻體內填充材料為玻璃保溫棉A的墻體的隔熱保溫性能優于玻璃保溫棉B；對輕型木結構墻體進行傳熱數值計算，得到各組成材料溫度的計算值與測試值具有同向可對比性，因此可用復合材料理論預測木結構熱學性能。

圖 1 墻體傳熱原理Fig. 1 The heat transfer principle of wall

2 木結構建筑熱濕耦合傳遞研究

早在19世紀就已出現了針對建筑外墻保溫技術的探索，但直到1973年世界石油危機以后，其外墻熱濕技術才得以在諸多國家長足發展。近年來，國內外諸多學者針對木結構外墻體保溫技術進行了研究，主要集中在建筑吸濕材料中的熱量和濕氣傳遞及其與環境空氣的相互作用。由于氣候、施工等多種原因，木結構建筑內部的熱濕傳遞與劇烈的氣溫變化引起圍護結構內部的溫濕度變化（熱濕耦合），而熱濕耦合效應影響著圍護結構的熱工性能、建筑節能、室內溫濕度[12]。雖然木結構建筑的外保溫墻體增加了保溫層，基本消除了內表面結露問題，但是水分必然會進入建筑圍護結構，引起墻體內積水、保溫性能下降、保溫材料鼓泡、凍結開裂，嚴重地影響了墻體的耐久性。基于傳熱傳質理論，國內外學者們提出了各種各樣的理論模型和試驗技術方法，應用于建筑外圍護結構的傳熱傳濕性能分析，取得了一定的研究成果。

2.1 理論模型研究

1977年，Whitaker[13]對墻體內濕積累進行了測量。1985年，Tenwolde[14]對多層復合墻體內水蒸汽遷移進行了一維穩態熱濕研究，但未考慮時間的變化對其影響。 Fairey[15]提出了三維熱濕研究模型計算建筑構件的吸放濕速率，其研究前提為假設表面材料和周圍環境達到瞬態平衡，之后通過求解熱傳遞偏微分方程，確定吸放濕量。1990年，Cunningham[16]采用修正的對流質傳遞系數數學模型計算吸濕建筑構件的含水率，并對模型進行了驗證。他還通過計算得出了單側壁和雙側壁的有效滲透深度值，結果表明：有效滲透深度與邊界層阻力無關。1992年，Tao等[17]建立了一維瞬態熱濕傳遞數學模型，將蒸汽吸收或產生的熱量計入能量守恒方程，這使得邊界條件的處理變得簡捷方便。1993年，Burch[18]建立了一維瞬態熱濕傳遞數學模型，該模型把相變潛熱對濕遷移的影響包括在邊界條件中。1998年，Stewart[19]等研究了墻體兩側的空氣壓力差對墻體內側蒸汽流動的影響。2003年，蘇向輝等[20]采用構建模型、建立邊界條件和數值計算等方法，完善了多層多孔結構一維瞬態熱濕耦合的模擬研究，并在此基礎上建立了濕傳遞過程中瞬態熱濕耦合模型，基于有效有限差分法提出了一種在非線性邊界條件下預測多層多孔結構傳熱和濕傳遞過程的數值方法。2009年，郭興國等[21]以長沙地區為例，在炎熱和潮濕的中國南方地區氣候中分析木結構墻體熱量和水分的分布，建立了以空氣含水量和溫度為驅動力的復合墻體一維瞬態熱濕耦合傳遞方程，分析結果表明：玻璃纖維內部會出現凝結問題。2009年，李魁山等[22]利用恒溫條件下，不同相對濕度的飽和鹽水溶液進行了EPS等6種建筑材料的等溫吸濕曲線測定，并對結果進行了誤差分析，試驗表明：材料在不同相對濕度下的等溫吸濕數值可用于圍護結構熱濕傳遞的計算。2017年，Colinart等[23]對混凝土進行了恒溫恒濕箱實時監測的吸濕實驗，其連續多點測量結果與理論計算值相符。以上研究表明，靜態法（利用飽和鹽溶液進行濕度控制并進行等溫吸放濕曲線的繪制）相對濕度點較少，且在稱重過程后恢復原始的相對濕度時間較長，但精度較高；而動態法（恒溫恒濕箱實時監測）氣體壓力對濕度傳遞的影響較大一些，精度也略差。

2.2 數值模擬技術研究

為了便于實際應用和智能化操作，許多研究人員在數值模擬計算的過程中開發一些應用軟件，以縮小模擬與設計間的差距。1994年，Burch等[24]借助有限差分法建立熱濕傳遞模型，求解非等溫條件下墻體的熱濕傳遞耦合值，由此開發模擬軟件MOIST，可用于在不同季節里多層復合墻體結露情況的分析。1994年，Finlayson[25]提出，THERM是利用有限元方法模擬二維穩態傳熱問題，其模型主要是模擬窗戶的熱性能。2001年，由橡樹嶺國家試驗室和Fraunhofer建筑物理研究所(IBP)聯合開發出的WUFI軟件是基于先進的濕熱模型開發出的新一代應用軟件[26]，它解決了耦合熱、水分運輸的建筑墻壁和屋面等圍護結構系統中的問題。2006年，Esmaeilpour發展了CHAMPS熱濕性能分析軟件，可用來模擬計算多場耦合。2012年，Karagiozis等[27]利用WUFI Pro 5.0對比了北美及歐洲木結構墻體在濕熱性能，采用印第安納波利斯的氣候參數進行了模擬，結果表明，由于聚苯乙烯泡沫（EPS）隔熱層的存在，歐洲木結構墻體具有更好的熱物性能；但當EPS厚度減少到美國木結構墻體的使用厚度時，歐洲墻體的熱物性能較美國墻體差。歐洲墻體的防潮受損性能比美國墻體好，其原因之一是因為EPS具有高的擴散阻力。但是如果水分能夠滲透結構，EPS對外墻外保溫系統會產生損害。

2014年，Mcclung等[28]在濕熱環境下進行了CLT組件的耐久性測試及其仿真模擬研究。該研究組在加拿大安大略南部，利用SPF規格材、CLT等5種木質材料及4組不同安裝方式，對其組裝的16塊規格為600 mm×600 mm的墻體進行了干燥試驗。結果表明，1個月內，三組安裝呼吸紙的CLT板的含水率值均由月初的30%下降至月末的26%，另一組安裝有聚乙烯的CLT板試件1個月內的含水率未變。這表明聚乙烯膜等這種低滲透性材料易造成CLT板干燥緩慢的結果。但當CLT板內外部同時裝配呼吸紙等低滲透性材料時，干燥速率會加快。借助WUFI（瞬態熱濕遷移)程序，采用隨機方法對材料種類、溫濕度條件和環境荷載等進行CLT墻體不同深度的耐熱濕性仿真模擬，利用模擬值和計算值進行對比分析。結果表明，當CLT板表層含水率MC＜26%時，其耐熱濕性模擬值與測試值吻合度高。然而值得一提的是，除了SPF組，其余結構表層中心含水率模擬值均高于測試值5%～10%。這是由于CLT板試件內部的傳感器不能及時反映試件外部的相對濕度，使其仿真模擬結果不能有效地反映CLT試件內部的含水率變化。

2015年，Chang等[29]研究認為，現有的建筑結構密閉且自然通風率顯著降低，導致很難清除建筑物內的積水后果。尤其在夏天炎熱和潮濕的天氣是導致室內溫濕度增高等問題的主要因素；借助WUFI軟件，模擬韓國一整年的天氣變化，從中對比了木框架墻和混凝土結構墻體熱濕性能、邊界和接觸條件的影響和長期的含水率性能，從其長期的含水率表現結果得知，混凝土結構平均總含水量約為2.85 kg/m3，明顯高于木框架墻；當相對濕度分別為78%和89%時，木框架結構相較于混凝土結構有更大的波動和凝結的風險。

3 展望

近年來，隨著我國綠色理念的提出、木結構建筑環保優勢的凸顯、木結構設計與制造技術的發展、人工林的擴種，以及相關法規與標準的制定等態勢，使得我國木結構建筑在景觀建筑、公共建筑、住宅建筑中的應用越來越廣，市場又漸活躍。由于國內外有關木結構建筑墻體保溫及其木結構建筑熱濕耦合傳遞研究的成果層出不窮，因此我國應針對木結構建筑保溫的研究也緊跟國際學術研究步伐，著眼于建筑材料、保溫材料、墻骨柱間距、墻面縫隙等對墻體保溫效果的影響，尤其是國外學者在不斷更迭墻體結構表現形式的基礎上建立了長期監測的理念，為墻體保溫性能的數據輸出建立了更為權威性的試驗數據庫，值得借鑒。這不僅事關為用戶提供一個舒適健康及可持續的輕型木結構住房環境，而且將對提高熱力學等理論成果在我國輕型木結構建筑的工程應用能力。

為進一步做好我國木結構建筑行業節能設計工作。1）理論計算墻體傳熱系數，熱惰性、蓄熱系數、衰減倍數、延遲時間、建筑窗墻比、有效傳熱系數等參數；測試建筑外墻構件材料的基本參數（厚度、密度）；熱物性參數（比熱容、導熱系數、與溫度相關的導熱系數）；濕物性參數（不同相對濕度下的水分儲存含量、濕度相關的導熱系數、與含水率相關的導熱系數等），為模擬分析提供有效的材性數據支撐。2）開展現場測量木結構建筑墻體在不同時期的傳熱系數，探索其不同時間段傳熱系數測定值與理論值的差異，并分析不同墻體結構下木結構建筑墻體保溫性能。3）實時監測木結構建筑外墻溫度、濕度及含水率的變化，分析其隨時間的變化趨勢，為木結構建筑熱濕耦合提供實時監測數據。4）利用WUFI 6.0軟件等模擬不同時期木結構建筑墻體的熱濕耦合情況，包括設定模型，輸入材性數據，輸入已查閱整理建立的當地典型氣象年氣象數據，設置邊界條件等。根據模擬結果，并對比木結構建筑保溫與熱濕實測值，以實現WUFI軟件準確、可靠地預測輕型木結構建筑墻體傳熱系數，溫度、濕度和含水率等參數的未來變化趨勢目標。

總之，木結構建筑外圍護墻體的節能設計工作尤為重要，必須按照建筑物理學客觀需要，著眼于木結構建筑墻體的保溫及木結構建筑熱濕耦合傳遞機理等前期設計，做好木結構建筑墻體熱工性能的耐久性與舒適度預測工作，以促進中國木結構建筑事業健康、快速地發展。