被動式低能耗外墻熱工性能實測及構造研究
——以山東建筑大學教學實驗綜合樓為例

楊倩苗藍亦睿鄒苒王曉臨

(1.山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南250101；2.山東省綠色建筑協同創新中心，山東 濟南250101；3.山東建筑大學 管理工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

隨著德國被動式低能耗建筑的推廣，具有高保溫性能、無熱橋、高氣密性的外墻節能技術在國內的示范建筑中已得到應用。 為保證超低能耗外墻的節能效果，外墻構造需要滿足兩個設計目標:(1) 有效阻斷外墻熱傳遞途徑，要求無熱橋且平均傳熱系數≤0.15 W/(m2·K)，這一目標一直是國內建筑圍護結構節能的研究重點；(2) 保證墻體內部不受濕氣影響，需合理設計墻體內、外飾面層的水密性和透氣性[1-2]，但該目標在學術研究和工程實踐中關注較少。

國內外低能耗保溫墻體的構造研究主要有:(1) 使用能耗計算軟件和熱橋模擬軟件研究低能耗圍護結構的構造設計，并頒布了權威的構造標準和圖集，如德國被動房研究所(Passive House Institute，PHI)頒布了《被動式節能改造標準以及被動房研究所節能建筑標準》[3]，中國住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心頒布了中國標準圖集《被動式低能耗建筑——嚴寒和寒冷地區居住建筑》[4]。(2) 采用實驗室測試的方法研究建筑材料的保溫絕熱和防水隔汽性能。 歐美高校和研究機構進行了大量材料熱濕物性測試，德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所根據長期測試數據積累，建立了建筑材料物性參數數據庫[5]。 孫立新等[6]研究測試了混凝土、巖棉、聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)、膠粘劑、抹面膠漿等外保溫系統核心組成材料的熱濕物性參數。 于水[7]針對溫度和濕度對墻體建材熱工性能開展深入的理論和實驗研究。 (3) 采用數值模擬的方法研究墻體構造做法或新型建筑材料對墻體濕熱性能的影響。 賈子樂[8]模擬分析了復合保溫墻體的聚苯板、板間縫隙對墻體濕熱狀態的影響。CHANG 等[9]模擬了交叉層壓木材的濕熱性能，并分析了其用于韓國20 個城市的受潮風險。 PARK等[10]模擬了使用功能性石膏板(板內添加多孔材料和相變材料)墻體的濕熱性能。 HAVINGA 等[11]通過模擬分析了采用內保溫對預制建筑進行節能改造，影響墻體內部發霉和冷凝的設計因素。 (4) 實測墻體內部的溫濕度變化，定量研究墻體某構件或某構造層次的熱工性能。 薛紀輝[12]實測對比了哈爾濱地區EPS 外保溫墻體的混凝土基層在竣工之后不同時間的相對濕度變化，提出室內外環境是影響混凝土層濕度狀態的主要因素。 夏赟等[13-14]實測了哈爾濱兩種保溫墻體竣工后基墻及保溫層內相對濕度的變化，指出濕度的增加不會影響擠塑聚苯板的保溫效果。 MCCLUNG 等[15]實測了16 種由交叉層壓板材組成的墻體內部的濕度和霉菌，分析交叉層壓板材的干燥過程。 LATIF 等[16]對比了有無隔汽層對輕型木結構保溫層內側產生霉菌和冷凝的影響。

綜上所述，建筑墻體的濕熱研究是保溫墻體構造研究的重點和難點，多采用數值模擬、實驗室測試、定期采樣實測等方法研究外墻系統某構造層的溫濕度變化及影響因素。 國內建筑領域對建筑材料水蒸氣滲透系數的認知和重視程度不夠[17]，缺少對高保溫、低能耗墻體濕熱參數的長期實測和跟蹤，無法確定建成的低能耗外墻是否能夠有效地實現室內防水隔汽和室外防水透汽的功能。 文章以山東建筑大學被動式低能耗建筑示范項目為例，通過預埋在墻體內部的溫濕度傳感器，長期實測外墻內部的不同位置的溫濕度數據，分析墻體內部溫濕度變化規律和墻體構造的合理性，為相關領域研究提供數據支持。

1 外墻熱工性能實驗測試

1.1 測試墻體

國內被動式低能耗建筑在設計、施工過程中應遵循的設計原則是:內飾面層的水蒸氣滲透阻力大，阻斷室內冬季濕熱空氣向墻體內部滲透；外飾面層的水密性高，水蒸氣滲透阻力小，防止室外雨水進入墻體的同時允許墻內濕氣排出，如圖1 所示。

圖1 低能耗外墻飾面層水密性和透氣性設計原則示意圖

山東建筑大學教學實驗綜合樓位于濟南市，建成于2017 年3 月，是住建部中德合作被動式低能耗建筑示范項目、首批山東省低能耗建筑示范項目。 建筑主體共6 層，總高度和面積分別為23.96 m、9 696.3 m2。 項目外墻按圖1 所示原則設計，其設計傳熱系數為0.14 W/(m2·K)，構造層次如圖2 所示，由內到外分別為:內墻涂料、15 mm 厚的水泥砂漿氣密層、200 mm 的蒸汽加壓混凝土條板、10 mm厚的水泥砂漿找平層、100 mm 厚的石墨聚苯板、5 mm 厚的粘結砂漿、100 mm 厚的石墨聚苯板、5 mm厚的抗裂水泥砂漿和真石漆涂料。 測試外墻建筑材料的相關物理性能參數見表1。 外墻涂料的抗堿封閉底漆透水性檢測按照JG/T 210—2007《建筑內外墻用底漆》[18]的測試方法進行，其檢測結果為0.1 mL，而耐水性檢測結果是96 h 無異常。

圖2 測試墻體的構造做法及墻體內溫濕度測點位置圖

表1 測試外墻的建筑材料的相關物理性能參數表

1.2 測點位置

根據墻體構造層次和建材物理性能，將溫濕度傳感器設置在3 類位置:(1) 墻體與室內外環境相接觸的位置，如圖2 所示的測試位置1、5；(2) 兩相鄰主要構造層次之間的位置，如圖2 所示的測試位置3、4；(3) 水蒸氣滲透系數大的建材內部，如圖2所示的測試位置2。 因此，分別在建筑東、南、西、北方向的外墻上如圖2 所示的位置，各設置了4 組溫濕度一體傳感器。

1.3 實驗設備

測試設備采用維薩拉HMP100 溫濕度一體傳感器和塑料保護管19266HM，其外形和尺寸如圖3 所示。 參考《維薩拉結構濕度測試工具包》，使用測試建筑構件內部密閉空間內空氣溫濕度的方法，獲得墻體內部某測試位置的溫濕度數據。 HMP100 有兩個傳感器元件:PT100 的溫度傳感器和薄膜電容型濕度傳感器元件，其上罩塑料過濾器(包括過濾塑料格柵和孔隙0.2 μm 的過濾膜兩部分，如圖3(a)所示)，保護傳感器元件、過濾掉塵埃等，形成有效的測試空腔，保證傳感器正常工作。 傳感器溫度測量范圍為-40 ～80 ℃，其準確度分別為±0.2 ℃(溫度在0～40 ℃)和±0.4 ℃(溫度在-40 ～0 ℃)；而相對濕度測量范圍為0 ～100%，其準確度分別為±1.5%(溫度在0～40 ℃，濕度在0 ～90%)和±3.0%(溫度在-40 ～0 ℃，濕度在0 ～90%)。 為了測試固體材料內部溫濕度，維薩拉研發了與傳感器配套的塑料管，保護HMP100 傳感器，密封塑料過濾器內的空氣，保證傳感器測試的是墻體內部測試位置的溫濕度，如圖3(b)所示。

圖3 墻體內溫濕度測試設備的外形和尺寸圖

1.4 測試設備安裝方法

測試設備組裝后尺寸較大(直徑為17 mm、長度為120 mm)，在建筑施工過程中結合墻體構造層次的厚度和施工工藝，使用兩種安裝方式:(1) 應用于外墻基層(測試位置2)；(2) 應用于外墻砂漿層(測試位置1、3、4、5)。

蒸壓加氣混凝土條板內傳感器(測試位置2)安裝方法如下(如圖4 所示):

①待蒸壓加氣混凝土條板安裝就位后，從內向外垂直墻體方向在條板內鉆孔，孔洞直徑為17 mm、深為120 mm；②使用高壓吹塵槍清潔孔洞內部；③用橡膠錘將塑料管敲擊、塞入孔洞內；④將HMP100 傳感器套入塑料管內，隨后進行室內側水泥砂漿氣密層的施工。

外墻砂漿層傳感器(測試位置4)安裝方法如下(如圖5 所示):

①待測試位置4 左側的第一道石墨聚苯板施工完畢后，從外向內垂直于墻體方向鉆孔，孔洞直徑17 mm，深度貫穿第一道石墨聚苯板和蒸壓加氣混凝土條板；

②將長橡膠栓塞入塑料管，用橡膠錘將塑料管敲擊、塞入孔洞內；塑料套管底部處于粘結砂漿層厚度范圍內偏室內側的位置；

③采用滿粘的方式施工第二層石墨聚苯板，長橡膠栓可以阻擋砂漿進入塑料管內；待砂漿凝固后，將長橡膠栓從塑料管內拔出，使用高壓吹塵槍清潔塑料管內部；

④將HMP100 傳感器套入塑料管內，孔洞用同材質材料密封。

測試位置1、3、5 的傳感器的安裝方法與測試位置4 的相同。

圖4 蒸壓加氣混凝土條板內的傳感器施工示意圖/mm

圖5 外墻砂漿層內的傳感器施工示意圖

1.5 測試過程

建筑施工過程中按照1.4 中的施工要求，在東、南、西和北4 個方向的外墻內預埋了20 個溫濕度傳感器，同時在被測試墻體的室內外側分別安裝了溫濕度傳感器，實測被測試墻體室內外側空氣和墻體內部空腔內濕空氣的溫度和相對濕度。 實測數據每30 min 記錄一次，并通過網線傳輸到建筑的數據平臺保存。 整套測試系統從2018 年2 月運行，東、南、北向墻體內預埋的傳感器正常工作，西向墻體內預埋的傳感器故障，未能正常工作。

2 實驗數據處理方法

2.1 實驗數據計算方法

濕空氣的狀態參數主要有:總壓力B、比焓h、含濕量d、溫度t、相對濕度φ及水蒸氣分壓力Pv。濕空氣的狀態可由B、t、φ等3 個獨立參數確定。 測試得到的空腔內濕空氣的溫度，可以認為是空腔位置墻體的固體溫度。 墻體材料是多孔材料，墻體內空腔通過建筑內外表面材料的孔隙與大氣聯通，近似地認為空腔內的B不變(即101.325 kPa)。

測試系統自動記錄測試位置i空腔內空氣某時刻j的溫度tij和相對濕度φij，根據濕空氣主要參數之間的函數關系，計算測試位置i空腔內空氣某時刻j的含濕量dij，由式(1)和(2)表示為

式中dij為某時刻j測試位置i的含濕量，g/kg；Pvij為某時刻j測試位置i的水蒸氣分壓力，Pa；Pv.b為某時刻j測試位置i在tij溫度下的飽和水蒸氣壓力，Pa；φij是某時刻j測試位置i的相對濕度。

需要說明的是，φij、dij是測試位置i空腔內空氣的相對濕度和重量含濕量，不是測試位置i固體的相對濕度和重量含濕量。 由于目前缺少現場測試固體含濕量的方法，而空腔內濕空氣的濕度能夠反映墻體固體材料的濕度，因此采用測試得到的空腔內空氣的相對濕度和重量含濕量，表征空腔位置墻體固體的濕度狀況。

2.2 實驗數據分析方法

應用實測數據和計算數據，從墻體保溫隔熱、內部濕氣排出、防止濕熱空氣滲透和外壁面防水等4個方面，分析外墻構造的合理性。 為了避免直射陽光的干擾，選取測試期間最冷日、最熱日北向墻體內部的溫度實測數據分析墻體的保溫和絕熱性能。 冬季室內濕熱空氣向墻體內滲透，選取東、南、北向外墻采暖期間墻體內部濕度實測數據，分析內壁面防潮性能。 濟南地區風向多變，雨季東風、東南風居多，東墻外壁面防水最不利，選取降水日前后東向墻體內部濕度實測數據，分析墻體外壁面防水性能。墻體夏季向室外排濕、冬季從室內吸濕，夏季內部濕氣在太陽光照射下汽化、排出，選取南向墻體內部的全年濕度實測數據，分析墻體外壁面的排濕性能。

文章主要選取了2018 年3 月26 日至2019 年3月26 日一年的實測數據進行分析，但2019 年4 月7日到4 月13 日期間兩次降水中間間隔一天的工況能更清晰地反映墻體外壁面防水性能，因此外壁面防水分析選取了2019 年4 月份實測數據。

2.2.1 墻體保溫隔熱分析

外墻構造層的保溫絕熱效果可以近似地通過構造層兩側的測試位置的溫度差表征，溫度差越小說明其保溫絕熱效果越好。 測試位置i和i＋1 在某時刻j的溫差計算由式(3)表示為

式中Δt(i＋1)ij是某時刻j測試位置i和測試位置i＋1的溫度差的絕對值，℃；tij、t(i＋1)j分別為某時刻j測試位置i和測試位置i＋1 的溫度值，℃；i為墻體內部測試位置，取值1、3、4、5；j為一天中的整點時刻。200 mm 厚加氣混凝土條板、100 mm 厚內側石墨聚苯板和100 mm 厚外側石墨聚苯板的保溫絕熱效果可以分別用Δt31j、Δt43j和Δt54j表征。

墻體保溫隔熱分析步驟如下:

(1) 以時間為橫坐標，墻體內部溫度為縱坐標，繪制測試期間最冷日測試位置1、3、4、5 的24 個整點時刻的溫度曲線。

(2) 選擇內外壁面(測試位置1、5)的溫差大、趨近一維穩態傳熱的時刻，分別計算其溫差Δt31j、Δt43j和Δt54j，并計算其平均值和作為冬季保溫效果的判斷依據。

2.2.2 墻體排濕分析

通過建筑構造層次的厚度、溫濕度傳感器的位置和建筑材料的水蒸氣滲透系數μ，計算測試位置室內側和室外側的水蒸氣滲透阻，結果見表2。 外墻中施工過程中殘存的濕氣在向室內外排出的過程中，測試位置2、3、4 的排濕難度大。 因此分析測試位置2、3、4 長時間(以年為時間單位)的日含濕量平均值，確定墻體內施工殘存濕氣排除情況。含濕量平均值的計算由式(4)表示為

表2 外墻測試位置的水蒸氣滲透阻表

2.2.3 外壁面防水分析

在降水天氣情況下，外墻外壁面受雨水的影響最大，因此繪制降水過程及前后時間段內的日降水量和外墻測試位置5、4、3 的含濕量日平均值，量化降水量和外墻外壁面、靠近外墻含濕量的影響程度，分析外墻外壁面的防水性能。

2.2.4 內壁面防止濕熱空氣滲透分析

采暖期建筑室內溫濕度高于室外環境，水蒸氣經圍護結構流向室外，墻體內部可能出現濕積累的問題。 為了保證材料的耐久性和保溫性，GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》規定，經過一個采暖期，保溫材料重量濕度的增量[Δω]不得超過一定限度，以便采暖期過后，保溫材料中的水分逐漸向內側和外側散發，而不致在內部逐年積聚[19]。 [Δω]的限值見表3。

表3 采暖期圍護結構保溫材料重量濕度允許增量表

外墻測試位置2、4 采暖季前后含濕量的增量就是墻體內加氣混凝土條板、石墨聚苯板經過一個采暖季的重量濕度增量，計算公式由式(5)表示為

式中Δωi是采暖期后測試位置i的材料重量濕度增量；分別是采暖期開始和結束日期測試位置i的日含濕量平均值，g/kg。 濟南實際采暖期由每年的11 月15 日開始，次年的3 月15 日結束。分別是測試位置i在11 月15 日、次年3 月15 日的日含濕量平均值。Δωi≤[Δω] 是判斷外墻內壁面防止濕熱空氣滲透的充要條件。

3 結果與分析

3.1 墻體保溫隔熱

2018 年1 月13 日和7 月11 日是測試期間的全年最冷日和最熱日，其北向外墻墻體內部整點時刻的溫度曲線分別如圖6 和7 所示。 1 月13 日和7 月11日內壁面的溫度在13.3～15.0 ℃和26.7～28.1 ℃范圍內波動，明顯小于外壁面的-2.8～9.3℃和25.5～39.5℃，表明外墻的保溫絕熱效果良好。

圖6 1 月13 日北向墻體內部時刻—溫度曲線圖

圖7 7 月11 日北向墻體內部時刻—溫度曲線圖

1 月13 日0 時至8 時和7 月11 日13 時至16時，墻體內部熱傳遞趨近一維穩態傳熱，其主要構造層次溫差平均值見表4。 可以看出，外墻石墨聚苯板兩側的冬季降溫幅度和夏季升溫幅度明顯小于加氣混凝土條板兩側，表明石墨聚苯板的保溫效果優于加氣混凝土條板。 由于實際傳熱過程復雜，相同厚度的石墨聚苯板位于外墻外側的保溫、絕熱效果優于外墻內側的，實際工程中成倍增加保溫層厚度能夠提高其保溫絕熱效果，但其提升程度＜2 倍。

表4 外墻主要構造層次的保溫絕熱性能表

3.2 墻體內部排濕

根據式(4)計算東向墻體2018 年3 月26 日至2019 年3 月26 日測試位置2、3、4 含濕量日平均值，結果如圖8 所示。 全年東墻內部蒸汽加壓混凝土條板的含濕量(測試位置2)最大，內側聚苯板(測試位置3)次之，外側聚苯板(測試位置4)最小，室外側的水蒸氣滲透阻測試位置2 大于測試位置3、4(見表2)。 綜上可知，墻體內部濕氣主要向外墻外側排出。

東向墻體內部含濕量在夏、秋季節下降，8 ～10月份高溫天氣下降尤為明顯；含濕量在春、冬季節上升。 經過1 年時間，墻體內部測試位置2、3、4 的含濕量下降不大，降幅分別為18.4%、15.6%和18.4%。圖8 中A 至F 處測試時間的含濕量突增，經調研，這期間均為降水天氣，雨水滲透引起的墻體內部含濕量變化。

圖8 東向墻體內部含濕量日平均值曲線圖

3.3 外壁面防水

2019 年4 月9 日和4 月11 日有明顯的降水，因此選取2019 年4 月7 ～13 日期間東向外墻測試位置3、4、5 的含濕量和降水量進行外壁面防水分析，實測數據如圖9 所示。 由圖9 中可以看出，4 月9 日和4 月11 日的降水引起外墻外壁面(測試位置5)含濕量在4 月10 日和4 月12 日會大幅增加，滲透進外壁面的雨水隨后迅速排出，外壁面含濕量在4月11 日和4 月13 日開始下降。 石墨聚苯板(測試位置4、3)含濕量的波動與外壁面一致，但波動幅度減小。 實測數據表明:外墻外壁面無法完全阻止雨水的滲透，但雨水影響外墻內部含濕量的時間有限，滲透進墻體的雨水會迅速地排出。

圖9 東向墻體內部含濕量日平均值和日降水量圖

3.4 內壁面防止濕熱空氣滲透

根據式(5)計算2018 年采暖季過后，東、南、北向外墻測試位置2、4 的材料重量濕度增量，結果見表5。 2018 年采暖期過后，東墻、南墻加氣混凝土條板和南墻石墨聚苯板的重量濕度增量超標。 冬季室內濕熱空氣滲透不是墻體內部含濕量增加的唯一原因，分析1 個采暖季數據，僅能確定外墻15 mm 厚水泥砂漿內壁面可能無法有效阻止室內濕熱空氣滲透，確切結論需要多個采暖季數據的綜合對比分析。

表5 采暖期后外墻保溫材料重量濕度增量表 單位:%

4 結論

通過對山東建筑大學教學實驗綜合樓外墻熱工性能實測和構造合理性研究，得出主要結論如下:

(1) 使用溫濕度傳感器連續實測墻體內部空腔空氣溫濕度，能夠用于表征空腔位置墻體固體溫濕度狀況；為保證空腔數據能夠準確地反映墻體溫濕度，傳感器安裝設計和施工過程，必須滿足墻體內空腔空氣密閉、傳感器安裝位置準確，并充分考慮墻體構造層次的施工順序。

(2) 200 mm 厚的聚苯板外保溫薄抹灰外墻構造，在保溫隔熱、內部濕氣排出、外壁面防水3 個方面實際運行效果良好，基本滿足德國被動房外墻的設計要求；在內壁面防潮方面，15 mm 厚水泥砂漿內壁面可能無法有效阻止室內濕熱空氣的滲透，應增加墻體隔氣層。

(3) 墻體內部濕氣受季節影響明顯，含濕量春冬季上升，夏秋季下降；墻體內部濕氣的排出主要發生在室外高溫月份，濕氣向室外側排出；投入使用第一年墻體內部含濕量降低平均值為17.5%。 外保溫構造中2 層100 mm 厚的石墨聚苯板保溫層，靠近室外側的聚苯板的保溫絕熱效果優于靠近室內側的。 5 mm 厚抗裂砂漿和真石漆涂料組合的外墻外壁面不能完全阻止雨水的滲入，但滲入墻體內雨水在短時間內會迅速排出。