2 組輕型木結構建筑外墻熱濕耦合性能模擬分析

饒 鑫 楊 靜 黃俁劼 王 正 曹 瑜

（1.江蘇農林職業技術學院風景園林學院，江蘇 鎮江 212400；2.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

現代輕型木結構建筑因其節能減排、綠色可持續發展，近年來得到大眾的認可和政府的大力推廣[1-2]。外墻作為建筑主要圍護結構，有效改善其保溫技術，是提高建筑整體節能減排的關鍵[3]。同時，合理調節建筑室內溫濕度變化是提高居住舒適性的關鍵[4-5]。目前，研究學者在建筑墻體熱濕方面做了大量研究，主要從建筑材料與結構方面著手，研究了不同材料、墻體結構的保溫性能[6]。Pihelo 等[7]在氣候寒冷條件下開展了高隔熱木框架外墻的熱濕風險研究表明，在建筑圍護結構設計工作中既要注重其保溫技術設計，還要重視其濕熱技術設計。Wang 等[8]開展對輕型框架建筑中竹木基礎剪力墻的保溫隔熱性能研究，通過有限元模擬以及采用熱流板法實測4 種不同竹木墻體結構的導熱系數（λ）和傳熱系數研究，得出工程竹木復合材料的保溫隔熱性能較低的結論。在此基礎上，部分研究學者還建立了建筑墻體熱濕長期監測的理念，提出了墻體保溫及熱濕性能理論模型和試驗方法[9-10]。Pihelo 等[11]對建筑結構材料的水分含量以及木框架墻體的濕度變化進行了長期監測研究工作，得出在高度隔熱的墻體結構設計中應注重其濕熱性能和濕度安全性分析研究。Vanpachtenbeke 等[12]針對2 個典型磚飾面層的木框架墻在不同季節的熱濕響應情況，通過在不同季節氣候條件下應用不同的蒸汽屏障材料進行研究表明，因冬季相對濕度（RH）偏高，使其霉菌生長指數偏大；數值模擬技術有助于應用于建筑外圍護結構的理論分析[13]。Pasztory 等[14]通過有限元模擬分析比較了美國和歐洲木框架建筑墻體的濕熱性能，應用有外隔熱層設計的歐洲墻體具有更好的保溫性能與水分調節性能。Chang 等[15]通過瞬態熱濕傳送模型（WUFI）模擬研究了主要在韓國使用的2 種不同墻體結構的熱濕性能，確定其各種建筑材料的含水量、墻體結構的濕熱行為、冷凝風險和霉菌生長潛力。

由于中國的各地氣候復雜多樣，加之輕型木結構建筑的發展仍處于起步階段，因此對我國輕型木結構建筑在不同氣候條件下的濕熱性能進行研究并科學預測尤為重要，對其進一步推廣應用具有參考價值。目前，國內對木框架結構建筑的墻體的濕熱試驗研究工作仍局限于實驗室法，在現場檢測方面較少；在輕型木結構建筑外墻的材料應用與結構設計部分，對外保溫覆面層的保溫研究工作薄弱；缺乏系統地對建筑材料熱物性和熱濕性參數測試等基礎研究、現場熱工性能測試與模擬預測研究，深入評估建筑外墻的濕熱耦合行為。因此，本研究的目的是對地處夏熱冬冷的南京2 幢輕型木結構建筑外墻的熱濕傳遞過程進行理論和試驗研究，通過WUFI 模擬預測不同自然條件下建筑外墻熱濕耦合傳遞過程，提出建筑外墻保溫與溫濕度調節優化設計方案。其創新之處在于首先對建筑材料進行參數研究，進而研究建筑結構的熱濕耦合作用及溫濕度調節作用。在輕型木結構建筑外墻結構設計部分，應用綠色、環保、可再生材料?葡萄牙軟木作為外保溫結構。木材作為輕型木結構建筑主要建筑用材，其在濕度大的環境中易發霉腐朽。因此，本研究針對輕型木結構建筑2 組外墻結構，一方面，現場實測其傳熱系數，系統地研究建筑外墻的熱工性能；另一方面，通過WUFI 模擬預測其溫度、RH和含水量變化，開展外墻熱濕耦合作用理論分析。其中，在建筑整體居住舒適度分析的基礎上，深入分析建筑外墻結構凝結風險、室內霉菌風險，評估建筑外墻的使用安全性及可靠性，以便更大程度地發揮其建筑自身優勢，對墻體節能優化設計工作有至關重要的作用，為住戶提供舒適、健康的居住環境，以期對輕型木結構建筑外墻結構的優化設計工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 墻體熱工性能測試

1.1.1 試驗材料

以2 幢輕型木結構建筑外墻體為對象，其地處夏熱冬冷地區的南京市，建筑外墻結構層相同。建筑A 的外墻保溫層為葡萄牙軟木；建筑B 的外墻保溫層為防腐木掛板，建筑現場見圖1。

圖1 2 幢輕型木結構建筑Fig.1 Two timber-framed structure buildings

輕型木結構建筑外墻結構組成見圖2，建筑室內側至室外側，依次由12 mm OSB 面板、38 mm×89 mm SPF 墻骨柱（內填保溫棉）、12 mm OSB和防水透氣膜組成。2 幢建筑外墻的室外側覆面結構不同，即建筑A 的外墻保溫層由40 mm 葡萄牙軟木構成；建筑B 的外墻保溫層由20 mm 空氣層和12 mm 防腐木掛板構成，防腐木掛板與外墻OSB 面板之間采用20 mm×20 mm 的掛板條控制空氣層厚度。采用BS224 型電光天平（精確到0.000 1 g）、游標卡尺（0.02 mm）對墻體材料進行測算，得到材料基本參數見表1，其中，a 規格試材用于熱物參數試驗，b、c、d 規格試材用于熱濕參數試驗，所有試材與建筑材料相同，并來自同一批材料。

圖2 輕型木結構建筑外墻結構示意圖（1∶10）Fig.2 Schematic diagram of exterior wall structure of timber-framed structure building (1∶10)(Left:exterior wall of building-A;Right:exterior wall of building-B)

1.1.2 測試方法

測試所用儀器主要有：ISOMET 熱特性分析儀，分為API 210422 針式探頭和API 210411 表層探頭；Memmert 電熱干燥箱1 臺；HCP153 動態恒溫恒濕箱1 臺；Lambda 2000 熱流儀1 臺；HT?1 熱流巡檢儀1 套；NSB?TY80A 立式取暖器4 臺。

具體測試方法：

1）材料參數測試方法 根據ISO 8302—1991[16]，對表1 中a 規格材料進行熱物性參數測試。根據GB/T 20312—2006[17]和GB/T 20313—2006[18]，測試材料濕熱性能，采用動態恒溫恒濕箱進行含水率平衡處理，記錄材料吸濕情況；通過材料吸水處理，測量其不同含水量條件下的λ，采用熱流法導熱儀進行熱流功率檢測，記錄不同溫度條件下材料的λ。

表1 材料參數Table 1 Parameters of materials

2）墻體熱工性能測試方法 對A、B 幢建筑的外墻進行現場熱工性能測試，根據GB/T 34342—2017[19]和JGJ/T 132—2009[20]，調節圍護結構兩側表面溫度差>10 ℃，且在測試中均大于低溫側表面溫度。根據DGJ32/J 23—2006[21]，采用熱流計法實測A、B 幢建筑4 種墻體的熱流量和內外表面溫度，得其熱阻和傳熱系數。其測試原理見圖3，測試現場傳感器布置見圖4。

圖3 熱流計法檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of heat flow meter detection

圖4 輕型木結構建筑外墻傳感器布置圖Fig.4 Sensor layout of exterior wall of timber-framed structure building

1.2 外墻結構的熱濕非穩態計算

本研究采用WUFI Pro Version 6.1 軟件[22-23]建立A、B 幢木結構建筑外墻熱濕非穩態模型，其熱濕模擬流程見圖5，以預測試驗外墻體系統的溫度、RH 和含水量變化。

圖5 模擬流程Fig.5 Simulation process

1.2.1 外墻熱濕非穩態模型設置

確定2 幢輕型木結構建筑4 種常規類型墻體結構，A 幢建筑分為軟木?SPF（a 墻體）和軟木?保溫棉（b 墻體）結構，B 幢建筑分為防腐木?SPF（c 墻體）和防腐木?保溫棉（d 墻體）結構，其建立外墻熱濕非穩態模型的主要步驟為：首先，輸入各層建筑材料基本參數、熱物性參數及濕物性參數；再細分計算網格。

1.2.2 計算設置

鑒于本建筑受太陽輻射與降雨影響，設置本墻體的方位、傾角分別為東北向和0°。

1.2.3 邊界條件設置

在建立外墻熱濕非穩態模型后，對室內外邊界條件進行設置。確定模擬計算的時間段（2017 年1 月1 日—2018 年1 月1 日，共計步長1 a）。該軟件中規定左側、右側分別代表墻體外、內表面（如圖6）。其邊界條件數據來自于南京市2017 年氣象資料，主要包括：大氣壓、溫度、濕度、風向、風速、年降雨量、輻射總量和凈輻射量。室內（右側）邊界條件經室外（左側）邊界條件輸入后生成得到[24]。

圖6 輕型木結構建筑墻體的模型圖Fig.6 Model drawing of timber-framed structure building wall

2 結果與分析

2.1 熱物性參數結果與分析

為確保試驗可靠性，各試材的λ、比熱容（c）、熱阻（R）等參數均測試5 次，并取平均值見表2。

由表2 可知，本建筑所用的葡萄牙軟木和保溫棉材料的λ≤0.05 W/(m·K)，為高效保溫材料；OSB 和SPF 材料的λ ≤0.14 W/(m·K)，為 高效保溫材料；松木防腐木掛板和防水卷材的λ<0.23 W/(m·K)，為絕熱材料[25]。

表2 材料熱物性參數測算值Table 2 Measured values of thermal parameters of materials

c由小到大的排序為佳殿玻璃保溫棉、空氣間層、OSB、防水卷材、松木防腐木掛板、葡萄牙軟木和SPF。其c值越大，吸熱能力越強，材料溫度變化小，穩定性好。λ 從小到大依次為保溫棉、軟木、SPF、OSB、松木防腐木掛板、防水卷材。體積相同的材料，其密度越小，材料內部孔隙結構占比就大，λ 也越小。OSB 和松木防腐木掛板材料在加工過程中經過特殊處理，材料細胞間隙減小，導致其λ 大。

2.2 熱濕性參數結果與分析

2.2.1 與濕度相關的水分含量

由圖7 和表3 可知，在溫度相同的工況下，5 種外墻體材料平均水分含量隨其RH 的增高而增大。由SPF 的等溫吸濕曲線可知，當濕度為80%～90%時，其吸濕量猛增，其原因是SPF 規格材在濕度不同的環境條件下，其微晶體表面因分子間力和氫鍵力作用，將其空氣中的水分子吸附，形成吸附水。為了適應空氣濕度的變化，這部分水層厚度因空氣的RH 增高而增大。當木材達到其纖維飽和點后，其細胞腔與其間隙中產生自由水，并形成驟增趨勢。表3 中的墻體材料吸濕能力由小至排列順序為保溫棉、軟木、OSB、防腐木掛板、SPF。

圖7 水分含量測試Fig.7 Test of moisture content

表3 RH 不同情況下的材料平均水分含量表Table 3 Average moisture content of materials under different relative humidity conditions kg/m3

2.2.2 與溫度相關的材料導熱系數

材料λ 現場測試見圖8。其軟木、防腐木、OSB、佳殿保溫棉和SPF 的初始含水率分別為30、60、40、60、80 kg/m3。

圖8 與溫度相關的λ 測試Fig.8 Field diagram of temperature dependent thermal conductivity test

由表4 可知，表明外墻材料的λ 與溫度呈正相關。其原因是隨著材料內部分子的熱量驟增，易使材料孔隙中空氣的導熱和輻射作用增強。

表4 各材料溫度相關下的λ（間隔10 ℃）Table 4 Thermal conductivity of all materials under temperature dependence(interval 10 ℃)

2.2.3 與濕度相關的材料導熱系數

由表5 可知，材料的λ 隨著其水分含量的增加而增加，其根本原因是由于水的λ 遠遠大于OSB，軟木，松木防腐木掛板，SPF 和保溫棉。表5 中的墻體材料吸水能力由小至大排列順序為OSB、軟木、松木防腐木掛板、SPF、保溫棉。

表5 材料不同水分含量下λTable 5 Thermal conductivity of materials with different moisture content

2.3 墻體熱工性能及WUFI 模擬分析

2.3.1 墻體熱工性能分析

由表6 可知，其模擬值和實測值結果相近，且相對誤差在10%內，即可有效利用WUFI 模擬預測建筑外墻體的保溫特性。A 幢建筑外墻體的傳熱系數小于B 幢建筑外墻體，即A 幢建筑的整體保溫性能優于B 幢建筑。b 墻體、d 墻體的傳熱系數值小于a 墻體、c 墻體，表明該建筑外墻體內置保溫棉材料的保溫性能優于內置SPF 材料。

表6 傳熱系數實測值與模擬值Table 6 Measured and simulated values of heat transfer coefficient

根據復合墻體的實際傳熱計算，得到A、B 型木結構建筑的外墻傳熱系數有效值分別為0.275、0.363 W/(m2·K)。很顯然，其理論有效傳熱系數均小于0.4 W/(m2·K)，本研究中的A、B 幢建筑均適用于嚴寒地區。

2.3.2 居住舒適度分析

根據生理學家研究，冬天溫度18～25 ℃，RH 范圍在30%～80%；夏天溫度23～28 ℃，RH范圍在30%～60%是最宜人的室內溫濕度，在此范圍內感到舒適的人群占95%以上。室內溫度過高人體感受過熱，尤其是冬季室內溫度若保持在23 ℃以上，則會疲倦、眩暈。室內溫度過低人體感受過冷，尤其是夏季室內溫度若保持在22 ℃以下，則會腰酸背痛、疲倦無力。在注意室內溫度調節的同時，還應注意室內濕度。夏季，當室內濕度過大時，會抑制人體的散熱，使人感到非常熱、煩躁。冬季，室內濕度大時，會使人感到寒冷、抑郁和易患感冒。

實測結果得知，A 幢建筑1—3 月室內溫濕度平均為7.5 ℃、61.4%，B 幢建筑1—3 月室內溫濕度平均為7.4 ℃、69.1%；模擬結果得知，A 幢建筑全年室內溫濕度平均為22.6 ℃、54.92%，B幢建筑全年室內溫濕度平均為22.09 ℃、56.13%；這表明，室內開空調的情況下，1 年中A、B 幢木結構建筑溫度及冬季濕度均在適宜區間內，且A 幢建筑滿足人體舒適度更高。由于南京地處夏熱冬冷區，故夏季，該輕型木結構建筑室內濕度水平較高，應進行室內除濕處理。

2.3.3 凝結風險分析

為了避免木結構建筑墻體冷凝現象的產生，保持其耐久性特性顯得尤為重要[26]。圖9 分析了4 種墻體的冷凝情況。由于4 種墻體結構的全年室內溫度均大于最高露點溫度18 ℃，故不易發生冷凝，該建筑針對南京氣候環境是很適合的。

圖9 墻體凝結風險分析Fig.9 Risk analysis of wall condensation

2.3.4 室內霉菌風險分析

霉菌的生命活動與溫度、濕度、營養物質、材料多孔性、酸堿度等因素密切相關。在一定的熱濕條件下居住建筑結構中某些區域易滋生霉菌，在RH 為90%～100%時，最易滋生霉菌，國際能源機構提出RH 等于80%為霉菌生長的臨界值[27]。研究采用WUFI Bio 對4 種墻體進行室內霉菌風險模擬分析，其臨界水分含量與孢子內水分含量變化見圖10。

圖10 表明，A、B 幢建筑的4 種墻體室內墻面在2017—2018 年預測期內不易產生霉菌現象。由于預設安裝了空調的緣故，墻體臨界的水分含量均波動較小，且墻體的孢子內水分含量范圍與波動性基本一致。

圖10 臨界水分含量與孢子內水分含量圖Fig.10 Diagram of the critical water content and the water content in the spore

3 結論

本研究的墻體材料λ 由小到大依次為佳殿保溫棉、軟木、SPF、OSB、防腐木掛板、防水卷材。

相同溫度條件下，5 種被測外墻體材料內部水分含量因其RH 增加而驟增趨勢，其吸濕能力由小到大依次為佳殿保溫棉，軟木，OSB，防腐木，SPF；吸水能力由小到大依次為OSB、軟木、防腐木、SPF、佳殿保溫棉。

WUFI 模擬值和實測值結果相近，可有效利用WUFI 模擬預測建筑墻體的保溫特性。2 幢輕型木結構建筑均適用于嚴寒地區，A 幢建筑的整體保溫性能優于B 幢建筑，且合理優化設計建筑墻體結構是建筑墻體保溫的關鍵。

輕型木結構建筑具有良好的溫濕度調節作用，A 幢建筑的保溫吸濕效果較B 幢建筑好；但B 幢建筑的室內濕度變化較A 幢建筑穩定。

A、B 幢建筑的全年溫度和濕度均在適宜區內。一年中，4 種輕型木結構建筑室內冷凝結果不易發生；其4 種墻體室內墻面霉菌孢子出現概率較低，不易產生霉菌。