寒冷地區(qū)外保溫墻體熱濕耦合特性

鄭偉花, 蘇園, 高蕓, 齊彩虹

(1.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院, 保定 071002; 2.河北大學(xué)零碳能源建筑與計(jì)量技術(shù)教育部工程研究中心, 保定 071002)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑物的重要組成部分,同時(shí)也是建筑物熱濕負(fù)荷的主要來(lái)源[1]。外墻引發(fā)的熱量損失占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%。自從開(kāi)展建筑節(jié)能以來(lái),外墻保溫技術(shù)取得了較快的發(fā)展,各種保溫形式被提出,其中外墻外保溫技術(shù)不但適合新建節(jié)能建筑,也適合老舊建筑外墻改造,并且能夠有效阻斷建筑熱橋,在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用[2]。

大多數(shù)建筑材料都是多孔介質(zhì)材料,多孔介質(zhì)材料中的熱濕耦合傳遞在各個(gè)氣候條件下普遍存在。羅羽等[3]、陸江等[4]通過(guò)對(duì)多種建筑材料進(jìn)行研究表明濕遷移對(duì)傳熱的影響不可忽略。陳友明等[5]在Luikov[6]和Philip等[7]熱濕耦合傳遞方程的基礎(chǔ)上以含濕率和溫度為驅(qū)動(dòng)勢(shì)建立了多層墻體的一維瞬態(tài)熱濕耦合傳遞模型,研究墻體熱濕傳遞對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。郭興國(guó)等[8]考慮了太陽(yáng)輻射對(duì)墻內(nèi)熱濕耦合傳遞的影響,于水等[9]優(yōu)化了地下建筑熱濕行為的模擬研究方法。鄭偉花等[10]以整體建筑為對(duì)象,研究了熱濕耦合對(duì)超低能耗建筑的影響。近年來(lái),熱濕耦合傳遞引發(fā)的墻體結(jié)露與濕積累問(wèn)題受到重視,鄺福軍等[11]研究了不同保溫方式下的熱橋效應(yīng),并分析了墻體表面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn),黃建恩等[12]建立了以水蒸氣分壓力為質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)的熱濕耦合傳遞模型,發(fā)現(xiàn)墻體相對(duì)濕度超過(guò)80%溫度高于零度時(shí)容易發(fā)生霉變。墻體結(jié)露影響保溫系統(tǒng)的熱工性能,并且影響建筑使用壽命和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)[13]工程上常常采用空氣層或隔汽層兩種防結(jié)露措施,但是對(duì)兩種防潮措施的效果研究較少。

目前,針對(duì)外保溫墻體熱濕耦合特性的研究大多集中在單一基層墻體的外保溫做法上,但實(shí)際上不同基層墻體熱濕傳遞特性差異較大。針對(duì)寒冷地區(qū)墻體防潮措施的研究也較少,僅對(duì)墻體內(nèi)表面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,未能準(zhǔn)確計(jì)算墻體內(nèi)部相對(duì)濕度分布,并且忽略了傳熱對(duì)傳濕的促進(jìn)作用。對(duì)以現(xiàn)澆混凝土和輕質(zhì)砌塊為基層的外墻外保溫系統(tǒng),進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯俊Ｌ骄坎煌鶎訅w的外保溫墻體的溫度、相對(duì)濕度分布以及熱濕負(fù)荷變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上,研究空氣層、隔汽層對(duì)建筑墻體熱濕耦合過(guò)程的影響,為寒冷地區(qū)外保溫墻體的保溫隔熱與防潮設(shè)計(jì)提供參考。

1 熱濕傳遞模型

墻體中的熱濕傳遞非常復(fù)雜,為簡(jiǎn)化模型與方便計(jì)算,將采取以下基本假設(shè):墻體內(nèi)部為均勻連續(xù)介質(zhì),局部熱力學(xué)平衡;墻體各層材料之間接觸緊密,不存在接觸熱阻濕阻;不考慮空氣滲透;將濕空氣視為理想氣體;忽略結(jié)冰凍融,水分僅以氣液兩態(tài)存在。

1.1 濕控制方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律、Fick定律、Darcy定律,控制體積內(nèi)含濕量變化可表示為

(1)

Pv(φ,T)=φPsat(T)

(2)

(3)

式中:w為材料的含濕量,kg/m3,可以看作是相對(duì)濕度φ的函數(shù);φ為相對(duì)濕度;t為時(shí)間,s;Pv為水蒸氣分壓,Pa;T為溫度,K;Psat為只與溫度相關(guān)的飽和水蒸氣分壓,Pa;Dl為液態(tài)水?dāng)U散系數(shù),m2/s;δp為建筑材料的水蒸氣滲透系數(shù),s。

1.2 熱控制方程

根據(jù)能量守恒定律與Fourier導(dǎo)熱定律,墻體任一控制體積的熱量傳遞方程表示為

(4)

(ρCp)eff=ρmatCpmat+w(φ)Cpw

(5)

式中:ρ為控制體積的密度,kg/m3;Cp為控制體積的熱容,J/(kg·K);(ρCp)eff為有效熱容,J/(kg·K);k(φ)為與含濕量相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ρmat為多孔材料干密度,kg/m3;Cpmat、Cpw分別為建筑材料固體基質(zhì)的熱容與水的熱容,J/(kg·K);Heva為蒸發(fā)潛熱J/kg;w(φ)為材料的含濕量,kg/m3。

1.3 定解條件

墻體熱濕傳遞過(guò)程中,將室內(nèi)與室外環(huán)境看作是墻體熱濕來(lái)源,不考慮降雨,可以得到內(nèi)外壁面處的熱通量與水汽通量,作為求解熱濕傳遞方程的第三類(lèi)邊界條件。

對(duì)于室外側(cè),有

qout=hout(Tamb,out-Ts,out)

(6)

gout=βout(Pv,amb,out-Pv,s,out)

(7)

對(duì)于室內(nèi)側(cè),有

qin=hin(Tamb,in-Ts,in)

(8)

gin=βin(Pv,amb,in-Pv,s,in)

(9)

式中:g為壁面水汽通量,kg/(m2·s);q為壁面熱通量,W/m2;T為溫度,K;Pv為水蒸氣分壓力,Pa;h為表面換熱系數(shù),W/(m2·K);內(nèi)外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別取8.72、23.26 W/(m2·K)[14];β為壁面?zhèn)鳚裣禂?shù),s/m;根據(jù)劉易斯關(guān)系式,內(nèi)外壁面?zhèn)鳚裣禂?shù)分別取1.85×10-8、14×10-8s/m;out表示室外側(cè);in表示室內(nèi)側(cè);amb表示壁面表面外環(huán)境;s表示壁面表面處環(huán)境。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN15026[15]詳細(xì)規(guī)范了模擬建筑熱濕傳遞的各種細(xì)節(jié),并提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為驗(yàn)證模型的正確性,利用標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型在相同情況下的模擬結(jié)果對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一可視為半無(wú)限大結(jié)構(gòu)的混凝土墻壁。墻體寬度為20 m,墻體初始溫度為20 ℃,初始相對(duì)濕度為50%。在t=0 s時(shí)在內(nèi)邊界上施加溫度為30 ℃,相對(duì)濕度為95%的第一類(lèi)邊界條件,在外邊界上保持初始溫濕度不變,上下界面絕熱絕濕,熱通量和壁面水汽通量均為0,可簡(jiǎn)化為一維結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。模擬所需相關(guān)參數(shù)參閱此標(biāo)準(zhǔn)。圖1和圖2所示為在7、30、365 d模型仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

圖1 7、30、365 d的溫度對(duì)比Fig.1 Comparison of temperature after 7 d,30 d and 365 d

圖2 7、30、365 d的含水量對(duì)比Fig.2 Comparison of water content after 7 d,30 d and 365 d

從圖1和圖2中可以看出,模型計(jì)算處的溫濕度模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,兩者間的最大誤差不超過(guò)1%,說(shuō)明構(gòu)建的模型能正確地模擬建筑熱濕耦合傳遞過(guò)程。

3 模擬結(jié)果分析

選取寒冷地區(qū)典型的外保溫墻體為研究對(duì)象,針對(duì)以輕質(zhì)砌塊和現(xiàn)澆混凝土作為基層墻體的兩種外保溫系統(tǒng),對(duì)其濕積累的產(chǎn)生位置、熱濕物性參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

3.1 墻體模型及參數(shù)

選擇寒冷地區(qū)保定市為模擬城市,室內(nèi)環(huán)境溫度為恒定21 ℃,室內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度非采暖期設(shè)置為50%,在采暖期由于門(mén)窗密閉和生活用水導(dǎo)致室內(nèi)相對(duì)濕度較高設(shè)置為70%,室外環(huán)境溫度與環(huán)境濕度來(lái)自ASHRAE數(shù)據(jù),如圖3所示。保溫墻體初始溫度設(shè)置為21 ℃,初始相對(duì)濕度設(shè)置為50%。模擬時(shí)間從2017年6月15號(hào)開(kāi)始,模擬時(shí)間一年,共8 760 h。

圖3 室外氣象參數(shù)Fig.3 Outdoor meteorological parameters

寒冷地區(qū)常采用的外墻保溫系統(tǒng)是EPS(expanded polystyrene board)板外墻外保溫系統(tǒng),該系統(tǒng)的基層墻體可以是質(zhì)密的現(xiàn)澆混凝土,也可以是輕質(zhì)砌塊。外墻具體構(gòu)造如圖4所示。室外到室內(nèi)分別是20 mm水泥砂漿保護(hù)層、100 mm EPS板保溫層、240 mm基層墻體、20 mm室內(nèi)抹面水泥砂漿,材料參數(shù)如表1和圖5所示。

表1 相關(guān)材料參數(shù)Table 1 Relevant material parameters

圖4 外保溫幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 External insulation geometry

圖5 材料含濕量Fig.5 Moisture content of the material

3.2 傳熱分析

分別對(duì)輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)和現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)進(jìn)行為期一年的數(shù)值模擬,輕質(zhì)砌塊外保溫系統(tǒng)和現(xiàn)澆混凝土外保溫系統(tǒng)的室內(nèi)壁面處的熱流密度隨著時(shí)間變化關(guān)系如圖6所示。在初始階段,由于壁面溫度受環(huán)境溫度影響變化劇烈,熱流密度變化也較為劇烈。在經(jīng)過(guò)100 h的換熱后,兩種保溫系統(tǒng)的內(nèi)壁面熱流密度隨著時(shí)間的變化開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似正弦波的變化。在輕質(zhì)砌塊為基層的外保溫系統(tǒng)中,最大熱流密度為2 W/m2,最小熱流密度為-5.5 W/m2,熱流密度的變化幅度為7 W/m2,平均熱流密度為-1.744 W/m2。在現(xiàn)澆混凝土為基層的外保溫系統(tǒng)中,最大熱流密度為2.3 W/m2,最小熱流密度為-7.3 W/m2,熱流密度的變化幅度為9.6 W/m2,平均熱流密度為-2.32 W/m2。從內(nèi)壁面熱流密度變化幅度可以分析出,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)受環(huán)境溫度變化影響較小,可以使室內(nèi)溫度變化保持在一個(gè)較小的幅度內(nèi),減輕了建筑熱負(fù)荷,降低了建筑能耗。

圖6 內(nèi)壁面處熱流密度Fig.6 Heat flux density at the inner wall

在模擬進(jìn)行到第36天時(shí)保定市日平均氣溫達(dá)到最高,此時(shí)保溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化如圖7所示。輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)內(nèi)外壁面處的溫度都低于現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng),輕質(zhì)砌塊外系統(tǒng)保溫層的溫度梯度為22.4 K/m,現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層溫度梯度為43.1 K/m,溫度梯度的降低減少了傳熱量,同時(shí)也削弱了室外高溫對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響。寒冷地區(qū)冬季墻體熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季,圖8所示為第213天最冷日保溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化情況,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)內(nèi)壁面處溫度大于現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)。輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)保溫層的溫度梯度為182 K/m,現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層溫度梯度為239.5 K/m,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)溫度梯度較小,傳熱量低。但是,兩種保溫系統(tǒng)靠近室外一側(cè)的保溫層溫度都低于零度,保溫層相對(duì)濕度較高時(shí),存在水蒸氣冷凝結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 夏季保溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度Fig.7 The temperature inside the insulation system in summer

圖8 冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度Fig.8 The temperature inside the insulation system in winter

3.3 傳濕分析

兩種外保溫系統(tǒng)的水汽通量變化具有類(lèi)似的規(guī)律。如圖9所示輕質(zhì)混凝土系統(tǒng)的水汽通量比現(xiàn)澆混凝土外保溫系統(tǒng)大,內(nèi)壁面最大水汽通量分別為10.7×10-7kg/(m2·s)和8.85×10-7kg/(m2·s),內(nèi)壁面最小水汽通量分別為-9.2×10-7kg/(m2·s)和-6.4×10-7kg/(m2·s),平均水汽通量為-1.793×10-8kg/(m2·s)和-5.039×10-9kg/(m2·s),水汽通量變化幅度分別為19.9×10-7kg/(m2·s)和15.25×10-7kg/(m2·s),輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)的水汽通量變化幅度比現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)高出了30.5%。可以得出由于現(xiàn)澆混凝土質(zhì)地密實(shí),水蒸氣滲透性小,并且現(xiàn)澆混凝土具有更好的蓄濕能力,使得室內(nèi)環(huán)境中的水分難以透過(guò)基層墻體向外傳遞,減輕了室內(nèi)的濕負(fù)荷。

圖9 內(nèi)壁面處水汽通量Fig.9 Water vapor flux at the inner wall

模擬進(jìn)行到第36天時(shí)正處于夏季制冷期,室內(nèi)溫濕度低于室外環(huán)境溫濕度。如圖10所示,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)界面1和界面2處的相對(duì)濕度分別為58.5%和77.6%。夏季室外水蒸氣相對(duì)濕度大于室內(nèi),因此水分從室外向室內(nèi)傳遞。由于輕質(zhì)砌塊的水蒸氣滲透系數(shù)大于現(xiàn)澆混凝土,水蒸氣透過(guò)保溫層后比較容易地向輕質(zhì)砌塊基層墻體傳遞,不會(huì)形成濕積累。因此夏季工況下,自室外高濕側(cè)至室內(nèi)低濕側(cè),輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)墻體內(nèi)部相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖10 夏季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.10 Relative humidity inside the insulation system in summer

現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)在界面1和界面2處的相對(duì)濕度分別為74%和77.4%,在界面1處相對(duì)濕度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是由于現(xiàn)澆混凝土基層墻體水蒸氣滲透系數(shù)較大,水蒸氣難以透過(guò)基層墻體,因此水分在基層墻體與保溫層交界面1處積累,相對(duì)濕度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。總體來(lái)看夏季工況下,兩種保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度基本呈下降趨勢(shì),墻體最高相對(duì)濕度在墻體外表面且接近室外環(huán)境相對(duì)濕度。但是由于基層墻體不同,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)保溫層的相對(duì)濕度明顯低于現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層相對(duì)濕度,平均相對(duì)濕度分別為73%和65%,相差了12.3%。夏季現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層含濕量較大,并且水分主要來(lái)自室外環(huán)境。

與夏季不同,冬季工況下,室內(nèi)溫濕度大于室外溫濕度,水蒸氣由室內(nèi)向室外傳遞。最冷日墻體內(nèi)部相對(duì)濕度分布如圖11所示。冬季工況下,輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)界面1和界面2處的相對(duì)濕度分別為67.2%和48.9%。這是由于輕質(zhì)砌塊的水蒸氣滲透性與液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)大于現(xiàn)澆混凝土,室內(nèi)水蒸氣容易透過(guò)輕質(zhì)砌塊基層并向保溫層內(nèi)傳遞。隨著室內(nèi)水蒸氣不斷地向保溫層中遷移積累,保溫層相對(duì)濕度高于室外相對(duì)濕度。

圖11 冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.11 Relative humidity inside the insulation system in winter

現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)在界面1和界面2處的相對(duì)濕度分別為26.6%和48.8%,從室內(nèi)側(cè)到室外側(cè),保溫層相對(duì)濕度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但均低于室外環(huán)境濕度。對(duì)于現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)而言,基層墻體厚度大,水蒸氣滲透系數(shù)與液態(tài)水滲透系數(shù)小,阻斷了室內(nèi)水分透過(guò)基層墻體向保溫層傳遞。因此可以得,相對(duì)濕度雖然受水分傳遞和溫度變化兩個(gè)因素的影響,但是相對(duì)而言相對(duì)濕度更容易受溫度變化的影響,所以受室外低溫影響,保溫層相對(duì)濕度逐漸升高。

輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)的整體相對(duì)濕度高于現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng),特別是保溫層平均相對(duì)濕度分別為65.7%和37.6%。含水量可以表示為相對(duì)濕度的單值函數(shù),如圖12所示,隨著相對(duì)濕度的提高,保溫層的含水量也隨之升高。輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)和現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層平均含水量分別達(dá)到1.381 kg/m3,和1.047 kg/m3,相差了31.8%。通過(guò)對(duì)比保溫系統(tǒng)內(nèi)部含水量還可以發(fā)現(xiàn),兩種系統(tǒng)產(chǎn)生濕積累的位置不同。輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)在保溫層中心和靠近基層墻體一側(cè)容易產(chǎn)生濕積累。現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)在保溫層靠近室外側(cè)產(chǎn)生濕積累。

圖12 冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部含水量Fig.12 The moisture content of the insulation system in winter

根據(jù)以上分析可以得出,冬季工況下,保溫層平均相對(duì)濕度高于室外相對(duì)濕度,長(zhǎng)期處于這個(gè)狀態(tài)且冬季保溫層溫度較低,保溫層會(huì)產(chǎn)生濕積累甚至冷凝結(jié)露。由于兩種保溫系統(tǒng)熱濕傳遞規(guī)律不同,受潮原因不同,濕積累產(chǎn)生的位置也有差異。

4 隔汽層與空氣層對(duì)熱濕傳遞影響

通過(guò)以上分析可以得到,保溫層產(chǎn)生濕積累受潮的原因主要是輕質(zhì)砌塊內(nèi)的水分向保溫層中遷移以及現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)受室外低溫影響導(dǎo)致的保溫層外側(cè)溫度過(guò)低。因此,阻止輕質(zhì)砌塊基層中的水分向保溫層中遷移以及提高現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層外側(cè)溫度,是減輕保溫層受潮的關(guān)鍵。常采取的措施是在基層墻體與保溫層之間添加隔汽層和在保溫層外側(cè)安裝密閉的空氣層。

4.1 加隔汽層的影響

為了防止室內(nèi)與墻體中的水分向保溫層中傳遞,導(dǎo)致保溫層濕度過(guò)高并形成濕積累。工程上常常在基層墻體與保溫層之間設(shè)置隔汽層以此減少進(jìn)入保溫層內(nèi)部的水分。隔汽層材料一般為防水卷材,在輕質(zhì)砌塊基層墻體與保溫層之間添加0.1 mm厚的聚乙烯薄膜。理論上水蒸氣可以完全被隔汽層隔絕在兩側(cè),但考慮實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)破損,其水蒸氣滲透系數(shù)設(shè)置為輕質(zhì)砌塊的0.1%[16]。由于隔汽層厚度相對(duì)較薄,其熱容、熱阻等相關(guān)熱物理參數(shù)對(duì)傳熱影響較小,因此忽略隔汽層對(duì)傳熱的影響。

在采用隔汽層后,由于隔汽層阻斷水蒸氣通過(guò)的效果,隔汽層兩側(cè)相對(duì)濕度分布發(fā)生突變,保溫層的相對(duì)濕度明顯下降,如圖13和圖14所示,采暖期保溫層最高相對(duì)濕度由70.5%下降到了49%,保溫層濕積累位置從中心變?yōu)榕c水泥砂漿保護(hù)層交界面處,界面1與界面2處,相對(duì)濕度也下降到50%以下,平均含水量由1.38 kg/m3下降至1.14 kg/m3,降低了17.3%。這是由于隔汽層的蒸汽滲透阻力系數(shù)較大,隔汽層阻礙了基層墻體中的濕分向保溫層在中傳遞,降低了保溫層中濕積累風(fēng)險(xiǎn)。但是,基層墻體中的水分難以透過(guò)隔汽層向外發(fā)散,從而導(dǎo)致基層墻體含水量有所上升。

圖13 安裝隔汽層后冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.13 Relative humidity inside the insulation system in winter after installation of the vapor barrier

圖14 安裝隔汽層后冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部含水量Fig.14 Water content inside the insulation system in winter after installation of the vapor barrier

安裝隔汽層對(duì)夏季工況下的墻體熱濕性能也會(huì)產(chǎn)生影響,夏季最熱日墻體相對(duì)濕度分布如圖15所示,可以得到安裝了隔汽層的輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)保溫層平均相對(duì)濕度從65.6%升高到72.2%,基層墻體平均相對(duì)濕度由53.8%下降到51.5%,這是由于隔汽層阻礙了夏季室外水分通過(guò)保溫層向基層墻體與室內(nèi)遷移,減輕了夏季室外高溫高濕環(huán)境對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。由于保溫層中的水分難以向室內(nèi)發(fā)散,保溫層相對(duì)濕度有所上升,但從室外側(cè)到室內(nèi)側(cè),相對(duì)濕度依然呈下降趨勢(shì)。

圖15 安裝隔汽層后夏季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.15 Relative humidity inside the insulation system in summer after installation of the vapor barrier

4.2 加空氣層的影響

工程上常常在建筑外墻上安裝密閉的空氣層。由于空氣具有良好的絕熱作用,在寒冷地區(qū)墻體保溫層的低溫側(cè)安裝空氣層,可以提高墻體熱阻,增強(qiáng)墻體的保溫性能。在現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層與防護(hù)層之間安裝20 mm空氣層,將空氣視為液態(tài)水滲透系數(shù)為0,蒸汽滲透系數(shù)為1.74×10-10s[17]的特殊的保溫材料。

冬季工況下,安裝密閉空氣層后,如圖16所示外墻溫度整體上升,平均溫度上升了2.88 ℃。如圖17所示,采暖期保溫層最高相對(duì)濕度由48.7%下降到了34%,降低了14.7%。空氣具有良好的絕熱性能,使得保溫層受室外溫濕度變化影響程度降低,對(duì)保溫層起到了防護(hù)作用。保溫層相對(duì)濕度與含水量下降,減輕了冬季保溫層冷凝結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 安裝空氣層后冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度Fig.16 The temperature inside the insulation system in winter after installation of the air layer

圖17 安裝空氣層后冬季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.17 Relative humidity inside the insulation system in winter after installation of the air layer

夏季工況下,空氣層的安裝對(duì)基層墻體的影響不明顯。但是如圖18所示,保溫層夏季平均相對(duì)濕度由73.15%上升到75.2%,保溫層靠近室外一側(cè)的相對(duì)濕度大于室外相對(duì)濕度且超過(guò)了80%,加重了夏季保溫層的濕積累,濕度過(guò)高甚至?xí)a(chǎn)生霉菌。結(jié)合以上分析可以得出,安裝空氣層起到增加熱阻的作用,可以降低保溫層冬季冷凝結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。但保溫系統(tǒng)內(nèi)部含濕量較小時(shí),空氣層作用并不明顯,反而會(huì)提高夏季工況下保溫層的相對(duì)濕度。因此,安裝空氣層的綜合效果欠佳。

圖18 安裝空氣層后夏季保溫系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)濕度Fig.18 Relative humidity inside the insulation system in summer after installation of the air layer

5 結(jié)論

以寒冷地區(qū)保定市為例,采用數(shù)值模擬的方法研究實(shí)際氣候條件下外保溫墻體熱濕耦合過(guò)程,對(duì)濕積累的產(chǎn)生位置、熱濕物性參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上,研究了空氣層、防潮層對(duì)建筑墻體熱濕耦合過(guò)程的影響,可以得出以下結(jié)論。

(1)輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)傳熱系數(shù)小,全年墻體內(nèi)壁面熱流密度變化幅度小,保溫隔熱效果好有利于減輕熱負(fù)荷。現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)內(nèi)壁面水汽通量變化幅度小,隔濕效果好有利于減輕建筑濕負(fù)荷。

(2)現(xiàn)澆混凝土系統(tǒng)保溫層受潮位置在靠近室外一側(cè),輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)保溫層受潮位置主要在中間及靠近基層墻體一側(cè)。輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)保溫層受潮程度較為嚴(yán)重。

(3)輕質(zhì)砌塊系統(tǒng)安裝隔汽層后最冷日保溫層含水量下降了17.3%,保溫層相對(duì)濕度下降到50%以下,同時(shí)也減輕了夏季室外高溫高濕環(huán)境對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。

(4)在現(xiàn)澆混凝土外保溫系統(tǒng)外側(cè)安裝空氣層,提高了外墻熱阻,采暖期最冷日墻體平均溫度上升2.88 ℃,采暖期保溫層最高相對(duì)濕度由48.7%下降到了34%,一定程度上減輕了冬季保溫層冷凝結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。如果保溫層含濕量較少,安裝空氣層的效果并不明顯,反而會(huì)提高夏季保溫層的相對(duì)濕度,綜合防潮效果不佳。