考慮蒸汽滲透的建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備研究

單 波，劉會(huì)華，張素麗，蘇小順

（建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

“十四五”時(shí)期，降碳成為生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)方向，降碳協(xié)同增效對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的大幅改善非常關(guān)鍵。在建筑行業(yè)中，建筑節(jié)能是非常重要的低碳措施，而建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)也在不斷應(yīng)用新型建筑材料提高熱工性能減少傳熱。不同的地域，由于氣候條件的差異，濕遷移對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)有不同的影響［1］，而為了在實(shí)驗(yàn)室便捷得到數(shù)據(jù)，需要給所測試件模擬不同的氣候條件測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透量，通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證對(duì)圍護(hù)材料傳熱的影響。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中多采用多孔介質(zhì)材料，較多的孔隙使?jié)窨諝狻⒁簯B(tài)水甚至固體冰存于其中，傳濕方式復(fù)雜多樣，包括僅由蒸汽分壓力引起的蒸汽滲透，由溫度差引起的水蒸汽遷移，在冷凝區(qū)還存在飽和水蒸汽及液態(tài)水的遷移問題，計(jì)算十分復(fù)雜［2］。

在只考慮空氣滲透的穩(wěn)態(tài)條件下，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水蒸汽滲透過程（見圖1）的計(jì)算公式如式（1）所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透

式中：ω為水蒸汽滲透強(qiáng)度，g/（m2·h）；ei為室內(nèi)的水蒸汽分壓力，Pa；ee為室外的水蒸汽分壓力，Pa；H0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總水蒸汽滲透阻，（m2·h·Pa）/g，如式（2）所示。

式中：dn為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的一種材料層的厚度，m；μ為材料的蒸汽滲透系數(shù)，g/（m·h·Pa）也可以通過各種數(shù)學(xué)模型和軟件計(jì)算。如《建筑熱濕耦合模型在不同氣候條件下的應(yīng)用評(píng)價(jià)》［3］中選取了 3 個(gè)較為典型的氣候，使對(duì)象模型（CTF傳遞函數(shù)模型、HAMT 熱濕耦合傳遞模型、EMPT 有效濕滲透深度模型）分別在這 3 種氣候條件（濕熱、溫和、干熱）下進(jìn)行模擬計(jì)算并比較各模型在不同氣候下的最佳適用性；還有通過建立墻體濕熱傳遞模型，利用 CHAMPS 熱濕傳遞計(jì)算軟件對(duì)新建墻從建成到濕穩(wěn)定過程這段時(shí)間內(nèi)墻體含濕量的衰減進(jìn)行了模擬計(jì)算［4］。也有采用理論動(dòng)態(tài)濕熱耦合計(jì)算分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)與濕相關(guān)的因素變化對(duì)熱的影響，動(dòng)態(tài)濕熱耦合依據(jù) EN15062［5］進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)假定熱流與濕流沿一維方向在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多層材料之間傳遞并進(jìn)行逐時(shí)濕熱耦合計(jì)算，可計(jì)算出通過單位面積墻體的熱流，在傳熱和蒸汽滲透過程中產(chǎn)生或消耗的潛熱［6］。材料的蒸汽滲透理論研究較多。

關(guān)于蒸汽滲透測試的設(shè)備，有可控式控溫墻體熱濕耦合試驗(yàn)臺(tái)［7］等，通過控制砌塊墻體兩側(cè)恒溫恒濕箱的溫濕度，使墻體處于溫濕度不同的工況下，測得墻體的平均傳熱系數(shù)以及溫度場和濕度場，分析墻體兩側(cè)溫度變化對(duì)濕度傳遞的影響。該設(shè)備測試研究的重點(diǎn)放到了濕熱傳遞對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

可以看出，蒸汽滲透方面的研究理論多，實(shí)際測量少，實(shí)際測量需要得到重視。

為了得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同氣候條件下蒸汽滲透測量數(shù)據(jù)，可以模擬不同的氣候條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需的氣候條件可以參考 GB/T 29906－2013《模塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)材料》［8］、JG/T 158－2013《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》［9］和 JGJ 144－2019《外墻外保溫工程技術(shù)》［10］等標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備可參考筆者曾開發(fā)過的外墻外保溫系統(tǒng)耐候性檢測設(shè)備［11］，該設(shè)備可以做熱雨循環(huán)、熱冷循環(huán)、凍融循環(huán)等試驗(yàn)。蒸汽滲透的測量可以參考 GB/T 17146－2015《建筑材料及其制品水蒸氣透過性能試驗(yàn)方法》［12］，采用其工作原理將試件密封在不同濕度的兩個(gè)環(huán)境箱中間，組成測試組件。由于試件兩側(cè)的濕度不同，濕流會(huì)流經(jīng)試件，定期稱量干燥一側(cè)干燥劑的質(zhì)量，當(dāng)其質(zhì)量變化率穩(wěn)定后，就可通過采集的數(shù)據(jù)和簡單計(jì)算得圍護(hù)材料試件蒸汽滲透的各種數(shù)據(jù)。

綜上所述，國內(nèi)考慮蒸汽滲透的建筑圍護(hù)材料耐候性檢測幾乎沒有，蒸汽滲透研究多采用模型計(jì)算，所以開發(fā)考慮蒸汽滲透的圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備是非常有必要。本文參考 GB/T 35169－2017 的測試原理和耐候性檢測的一系列標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了可以檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的蒸汽滲透量，并同時(shí)可以進(jìn)行耐候性檢測的設(shè)備。本文基于考慮蒸汽滲透的建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備研究，通過模擬室外環(huán)境做耐候性試驗(yàn)，同時(shí)也可以模擬室內(nèi)外濕度梯度，監(jiān)測濕氣在圍護(hù)系統(tǒng)中的傳輸過程，傳輸質(zhì)量，研究分析濕氣傳輸機(jī)理和傳輸特征，為進(jìn)一步提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同氣候條件下的蒸汽滲透奠定研究基礎(chǔ)。

建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備［13］采用 PLC 自動(dòng)控制，分別由室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)箱、室外環(huán)境試驗(yàn)箱和試件框組成。室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)箱為常溫，溫濕度可控；室外環(huán)境試驗(yàn)箱則模擬了惡劣的自然環(huán)境。試件安裝在試件框內(nèi)，兩側(cè)為室內(nèi)室外環(huán)境試驗(yàn)箱，可以對(duì)各建筑外表面的系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)性老化試驗(yàn)和試件含濕量變化的測量。同時(shí)室內(nèi)、室外環(huán)境箱可以控制不同的溫度和濕度，并有專門的濕氣收集裝置。該設(shè)備利用模擬測試平臺(tái)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境因素耦合設(shè)計(jì)，在復(fù)雜環(huán)境因素耦合作用下進(jìn)行圍護(hù)材料耐候性模擬測試試驗(yàn)，研究圍護(hù)材料耐候性及蒸汽滲透的變化，用于細(xì)節(jié)的研究和實(shí)踐論證。

1 檢測方法研究

傳統(tǒng)的耐候性檢測主要有熱雨試驗(yàn)、熱冷試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)，而參考蒸汽滲透的耐候性試驗(yàn)增加了濕度在建筑圍護(hù)材料內(nèi)的濕度變化的檢測，可測得不同圍護(hù)材料蒸汽滲透量的質(zhì)量大小，從而給理論研究據(jù)提供基礎(chǔ)。

1.1 傳統(tǒng)的耐候性試驗(yàn)

傳統(tǒng)的耐候性試驗(yàn)所測試件為混凝土基墻上裝有的外保溫系統(tǒng)，基墻面積＞6m2。主要做三種試驗(yàn)（在各種室外環(huán)境情況下），熱雨試驗(yàn)、熱冷試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)（見圖2）。

圖2 三種耐候試驗(yàn)的曲線圖

熱雨循環(huán) 80 次：每個(gè)周期為 6 h，分為加熱階段 1 h，恒熱階段 2 h，淋雨階段 1 h（噴水量 1.0 L/（min·m2），常溫階段 2 h。熱雨循環(huán)后，靜置 2 d。

熱冷循環(huán) 20 次：每個(gè)周期 24 h，分為加熱階段 1 h，恒溫階段 7 h，降溫階段 2 h，恒低溫階段 14 h。熱冷循環(huán)后，靜置 2 d。

凍融循環(huán) 25 次：每個(gè)周期 8 h。分為淋雨階段 1 h，常溫保持 1 h，降溫階段 1 h，恒低溫階段 4 h，生溫 0.5 h，常溫靜置 0.5 h 且相對(duì)濕度不低于 80 %。

蒸汽滲透試驗(yàn)需要對(duì)定型的小試件材料單獨(dú)進(jìn)行檢測。

1.2 考慮蒸汽滲透的耐候性試驗(yàn)檢測

考慮蒸汽滲透的耐候性試驗(yàn)檢測，與傳統(tǒng)耐候試驗(yàn)檢測相比較有以下幾點(diǎn)變化。

①室外環(huán)境箱模擬室外環(huán)境提供了更加豐富的氣候條件，在保持熱雨、熱冷、凍融原有三種試驗(yàn)的情況下，通過分別增減各階段溫度、濕度、淋雨量的大小，同時(shí)增減各試驗(yàn)階段的試驗(yàn)時(shí)間，可以使耐候性的試驗(yàn)條件更加多樣化；②室內(nèi)環(huán)境箱提供穩(wěn)定的溫濕度條件，使不同材料的蒸汽滲透對(duì)比更有可比性；③檢測的外保溫系統(tǒng)試件換成 1 m2的圍護(hù)材料試件（見圖3），固定在室內(nèi)環(huán)境箱和室外環(huán)境箱中間。圍護(hù)材料內(nèi)部添加預(yù)埋傳感器，可以時(shí)時(shí)監(jiān)控建筑圍護(hù)材料內(nèi)部濕度的變化；整體試件也方便采用熱流計(jì)法測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，分析蒸汽滲透對(duì)熱傳遞的影響；④增加了蒸汽滲透量的測量和露點(diǎn)的測量，蒸汽滲透的測試可以在各種模擬的氣候條件下完成，也可以得到試件在耐候試驗(yàn)前后的蒸汽滲透量的變化，并且各種測試都可以在同一組試件上進(jìn)行檢測，不用分開測試。

圖3 試件車及圍護(hù)材料試件

1.2.1 建筑圍護(hù)試件的安裝

建筑圍護(hù)材料砌在試件車的試件框內(nèi)（見圖3），試件框中間為 1 m×1 m 的方框，進(jìn)深 0.4 m，試件車其中一側(cè)有一個(gè)方形觀測孔，可引入 6 只溫濕度傳感器分別砌在試件內(nèi)不同位置，在實(shí)驗(yàn)過程中可以把定制的溫濕度傳感器一只一只砌入試件中，注意每砌入一只，要干燥放置一段時(shí)間，直到濕度變小。這些傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控圍護(hù)材料內(nèi)不同位置的溫度和濕度變化。不僅在試驗(yàn)階段，在養(yǎng)護(hù)階段也可以觀察圍護(hù)材料內(nèi)溫濕度的變化。

1.2.2 蒸汽滲透量的計(jì)量

試件密封在室內(nèi)環(huán)境箱和室外環(huán)境箱中間，除了做耐候性試驗(yàn)，也可以做蒸汽滲透的試驗(yàn)。做蒸汽滲透試驗(yàn)時(shí)，方形不銹鋼水分收集箱（見圖4）可以內(nèi)嵌在室外環(huán)境箱內(nèi)，箱體內(nèi)水平放一個(gè)高精度電子秤，精度為 0.01 g，內(nèi)放置一個(gè)通風(fēng)小盒，里面放置穩(wěn)定的吸水材料（如 3a 分子篩）可收集水分，把試件箱室外側(cè)扣在不銹鋼箱上，密封并與室外環(huán)境箱卡緊。把室內(nèi)環(huán)境箱設(shè)定為高濕環(huán)境，室外環(huán)境箱設(shè)為低濕環(huán)境，工作開始后時(shí)時(shí)采集電子秤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)更新，可以通過采集的各個(gè)參數(shù)，當(dāng)電子秤在單位時(shí)間內(nèi)重量的變化趨于穩(wěn)定，可以計(jì)算出蒸汽滲透量的變化情況。水分收集箱也可以內(nèi)嵌在室內(nèi)環(huán)境箱內(nèi)，測試方法類似。

圖4 濕度水分收集系統(tǒng)

1.2.3 蒸汽滲透的計(jì)算方法

試驗(yàn)設(shè)備的水分采集箱內(nèi)部長×寬×厚為 1 m× 1 m×0.4 m，面積為 1 m2，內(nèi)部體積為 0.4 m3。圍護(hù)材料的厚度，大氣壓力值也需要做好記錄（見圖5）。實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)和室外環(huán)境箱、水分采集箱以及試件內(nèi)的 6 組傳感器的溫度值、濕度值時(shí)時(shí)記錄，如水分采集箱內(nèi)溫度恒定在 23 ℃±0.5 ℃，在室外和室內(nèi)環(huán)境箱常壓恒溫情況下，工作幾天后，通過電子秤稱量的變化與計(jì)算可以得到蒸汽滲透的變化，如式（3）所示。

式中：ωφ為單位時(shí)間內(nèi)蒸汽滲透水分的重量，g/（m2·h）；mo為蒸汽滲透試驗(yàn)結(jié)束后干燥劑的重量，g；mi為蒸汽滲透試驗(yàn)開始前干時(shí)燥劑的重量，g；md為所選第 1 時(shí)間點(diǎn)水分采集箱內(nèi)的絕對(duì)濕度重量減去所選第 2 時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)濕度重量的差值（由于采集箱體積固定，濕度溫度時(shí)時(shí)測量，可以通過相對(duì)濕度的計(jì)算公式反推得到不同時(shí)間點(diǎn)的絕度濕度質(zhì)量），g；Δt為所選時(shí)間段的差值，h；A 為試件面積，m2。

從上面的公式中可以得到不同時(shí)間段的蒸汽滲透質(zhì)量，當(dāng)連續(xù)幾個(gè)時(shí)間段的計(jì)算重量都比較接近即滲透率穩(wěn)定，試驗(yàn)可以結(jié)束。所測數(shù)據(jù)體現(xiàn)在不同耐候條件下或耐候試驗(yàn)前后各種圍護(hù)材料的蒸汽滲透情況。實(shí)際測量的值與理論計(jì)算的值相互驗(yàn)證，通過對(duì)比，可以不斷的改進(jìn)和修正測試方法，同時(shí)完善理論計(jì)算結(jié)果。

本設(shè)備中露點(diǎn)溫度的測量對(duì)了解圍護(hù)材料滲透情況起到輔助作用，從中可以間接了解空氣中濕度的變化情況。試驗(yàn)中如室外環(huán)境箱的溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)環(huán)境箱的溫度，圍護(hù)材料試件的內(nèi)表面的溫度一般就會(huì)低于室內(nèi)環(huán)境箱的空氣溫度，當(dāng)內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)環(huán)境箱中空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在內(nèi)表面凝結(jié)。因此，檢驗(yàn)圍護(hù)材料的內(nèi)表面是否結(jié)露主要依據(jù)其溫度是否低于露點(diǎn)溫度，可以知道傳濕過程是否在結(jié)露狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)蒸汽滲透研究有一定的幫助。

2 設(shè)備研發(fā)

2.1 設(shè)備介紹

建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備由室外環(huán)境箱模擬系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境箱模擬系統(tǒng)、試件框架系統(tǒng)、傳濕重量采集系統(tǒng)（安裝在試件框內(nèi)部）組成。

每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各工作單元協(xié)調(diào)合作，各系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)要求含有控濕、控溫、淋雨、稱重等功能，數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)采集并做好記錄處理。

室外環(huán)境箱模擬系統(tǒng)模擬周期變化的惡劣自然環(huán)境，由制冷機(jī)組、加熱箱體、恒溫水箱及噴淋、轉(zhuǎn)輪除濕和霧化器組成，溫度在 -25～75 ℃ 區(qū)間控制，濕度 0 % 到 90 % 可調(diào)，水流量 1.0～1.5 L/m2·min，可測溫度、流量、濕度、露點(diǎn)溫度。

室內(nèi)模環(huán)境箱模擬系統(tǒng)模擬室內(nèi)環(huán)境，由除濕、加濕，全直流變頻空調(diào)組成（精度在 0.1 ℃），溫度在20～30 ℃可調(diào)，濕度 30 %～100 % 可控。可測露點(diǎn)溫度、溫度、濕度（見圖6）。

圖6 設(shè)備實(shí)際外形圖

試件車上配有試件框用來裝卡試件用，載重 2 噸，采用輪式支撐移動(dòng)，底部四底角邊裝配有四個(gè)承重輪，中間特別增加了一個(gè)輪子，使試件在較大載重的情況下，移動(dòng)靈活，便于操作。試件車室內(nèi)側(cè)面與室內(nèi)環(huán)境箱對(duì)接，室外側(cè)與室外環(huán)境箱連接，通過膠條和裝夾裝置卡緊密封。

同時(shí)設(shè)備有六組特制溫濕度傳感器，可以填埋在試件基墻的各個(gè)層面，觀測試件在各種條件下濕度的變化情況，并可以在室外環(huán)境箱嵌入水分采集箱，采集箱內(nèi)配有高精度水分測量儀，在一定的溫濕度下稱量高濕往低濕的傳濕重量。

軟件部分采用 PLC 和觸摸屏，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)的采集，處理以及控制運(yùn)行等功能。軟件包括不同的控制界面如主控界面、參數(shù)設(shè)置、時(shí)時(shí)曲線和時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。時(shí)時(shí)采集及記錄各種參數(shù)并有自校功能、斷電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、斷電工作狀態(tài)記錄功能，多項(xiàng)報(bào)警及保護(hù)功能。與電子秤的通訊采用 RS-485。

2.2 設(shè)備特點(diǎn)

2.2.1 節(jié)能性

1）室外室內(nèi)環(huán)境箱箱體采用了雙面彩鋼板聚氨酯保溫材料拼接而成，容重 40 kg，保溫材料能較好的保證能量不過多外溢，同時(shí)所選材料為 B1 級(jí)防火材料，保證設(shè)備的安全性。

2）箱體庫板通過掛接方式組成，掛接前都要按 S

形打足耐候膠，拼接好后所有縫隙勾縫再打好耐候膠密封，箱體內(nèi)外連接件采用隔熱材料連接，箱體與外部接觸面采用 5 mm 塑料板隔離，減少冷橋的產(chǎn)生。

3）冷箱冷源采用單機(jī)組雙路控冷方式提供。機(jī)組高壓端配不同的膨脹閥使一個(gè)機(jī)組在通過不同的膨脹閥時(shí)產(chǎn)生不同的冷量，即控制低溫時(shí)用控制低溫 A 膨脹閥（見圖7），控制中溫時(shí)自動(dòng)切換為控制中溫 B 膨脹閥。然后采用 PID 控溫方式控制熱源，是冷熱迅速達(dá)到平衡。

圖7 單一機(jī)組雙路膨脹閥

4）控濕和淋雨采用恒溫循環(huán)系統(tǒng)，保證水的循環(huán)利用。

2.2.2 耐用性

1）保溫箱體外側(cè)裝有完善的鋼結(jié)構(gòu)，通過方便快捷的卡式鎖緊裝置，并配有定制的密封條，使室內(nèi)和室外環(huán)境箱與試件架能有較嚴(yán)密的結(jié)合；

2）箱體內(nèi)部配件主要為鋁，銅，不銹鋼等材料，使設(shè)備能在較惡劣的環(huán)境下長久運(yùn)行；

3）試件車采用 15 mm 的 PU 板做內(nèi)襯，外部采用鋼結(jié)構(gòu)框架，內(nèi)填充保溫材料，保證設(shè)備的長久耐用。

2.2.3 智能性

控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá) PLC 及觸摸屏控制，一鍵式操作，設(shè)置好控制參數(shù)，循環(huán)次數(shù)，點(diǎn)擊開始，設(shè)備開始運(yùn)行，完成試驗(yàn)后設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。另外，軟件里提供不同的參數(shù)設(shè)定，可以根據(jù)需求，進(jìn)行多元化操作。

3 結(jié)論

通過對(duì)蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備的研發(fā)所取得的結(jié)論如下。

1）論文提出的考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性測試方法對(duì)圍護(hù)材料的耐久性有影響，國內(nèi)研發(fā)此方面較少，需要加大研發(fā)力度。

2）論文提出了一種對(duì)建筑圍護(hù)材料考慮蒸汽滲透的檢測方法。

3）研發(fā)了一種考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性檢測設(shè)備。

論文提出的考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性測試方法和研發(fā)的設(shè)備對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耐候性測試和研究有重要意義。Q