考慮蒸汽滲透的建筑圍護材料耐候性檢測設備研究

單 波，劉會華，張素麗，蘇小順

（建科環能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

“十四五”時期，降碳成為生態文明建設的重點方向，降碳協同增效對實現生態環境質量的大幅改善非常關鍵。在建筑行業中，建筑節能是非常重要的低碳措施，而建筑中圍護結構也在不斷應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，濕遷移對圍護結構傳熱系數有不同的影響［1］，而為了在實驗室便捷得到數據，需要給所測試件模擬不同的氣候條件測量圍護結構的蒸汽滲透量，通過準確的數據來驗證對圍護材料傳熱的影響。

建筑圍護結構中多采用多孔介質材料，較多的孔隙使濕空氣、液態水甚至固體冰存于其中，傳濕方式復雜多樣，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，在冷凝區還存在飽和水蒸汽及液態水的遷移問題，計算十分復雜［2］。

在只考慮空氣滲透的穩態條件下，通過圍護結構的水蒸汽滲透過程（見圖1）的計算公式如式（1）所示。

圖1 圍護結構的蒸汽滲透

式中：ω為水蒸汽滲透強度，g/（m2·h）；ei為室內的水蒸汽分壓力，Pa；ee為室外的水蒸汽分壓力，Pa；H0為圍護結構總水蒸汽滲透阻，（m2·h·Pa）/g，如式（2）所示。

式中：dn為圍護結構中的一種材料層的厚度，m；μ為材料的蒸汽滲透系數，g/（m·h·Pa）也可以通過各種數學模型和軟件計算。如《建筑熱濕耦合模型在不同氣候條件下的應用評價》［3］中選取了 3 個較為典型的氣候，使對象模型（CTF傳遞函數模型、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）下進行模擬計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 熱濕傳遞計算軟件對新建墻從建成到濕穩定過程這段時間內墻體含濕量的衰減進行了模擬計算［4］。也有采用理論動態濕熱耦合計算分析圍護結構與濕相關的因素變化對熱的影響，動態濕熱耦合依據 EN15062［5］進行計算，計算時假定熱流與濕流沿一維方向在圍護結構的多層材料之間傳遞并進行逐時濕熱耦合計算，可計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生或消耗的潛熱［6］。材料的蒸汽滲透理論研究較多。

關于蒸汽滲透測試的設備，有可控式控溫墻體熱濕耦合試驗臺［7］等，通過控制砌塊墻體兩側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以及溫度場和濕度場，分析墻體兩側溫度變化對濕度傳遞的影響。該設備測試研究的重點放到了濕熱傳遞對傳熱系數的影響。

可以看出，蒸汽滲透方面的研究理論多，實際測量少，實際測量需要得到重視。

為了得到圍護結構不同氣候條件下蒸汽滲透測量數據，可以模擬不同的氣候條件，圍護結構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材料》［8］、JG/T 158－2013《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統材料》［9］和 JGJ 144－2019《外墻外保溫工程技術》［10］等標準。設備可參考筆者曾開發過的外墻外保溫系統耐候性檢測設備［11］，該設備可以做熱雨循環、熱冷循環、凍融循環等試驗。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方法》［12］，采用其工作原理將試件密封在不同濕度的兩個環境箱中間，組成測試組件。由于試件兩側的濕度不同，濕流會流經試件，定期稱量干燥一側干燥劑的質量，當其質量變化率穩定后，就可通過采集的數據和簡單計算得圍護材料試件蒸汽滲透的各種數據。

綜上所述，國內考慮蒸汽滲透的建筑圍護材料耐候性檢測幾乎沒有，蒸汽滲透研究多采用模型計算，所以開發考慮蒸汽滲透的圍護材料耐候性檢測設備是非常有必要。本文參考 GB/T 35169－2017 的測試原理和耐候性檢測的一系列標準，開發了可以檢測圍護結構整體的蒸汽滲透量，并同時可以進行耐候性檢測的設備。本文基于考慮蒸汽滲透的建筑圍護材料耐候性檢測設備研究，通過模擬室外環境做耐候性試驗，同時也可以模擬室內外濕度梯度，監測濕氣在圍護系統中的傳輸過程，傳輸質量，研究分析濕氣傳輸機理和傳輸特征，為進一步提出圍護結構不同氣候條件下的蒸汽滲透奠定研究基礎。

建筑圍護材料耐候性檢測設備［13］采用 PLC 自動控制，分別由室內環境試驗箱、室外環境試驗箱和試件框組成。室內環境試驗箱為常溫，溫濕度可控；室外環境試驗箱則模擬了惡劣的自然環境。試件安裝在試件框內，兩側為室內室外環境試驗箱，可以對各建筑外表面的系統進行反復性老化試驗和試件含濕量變化的測量。同時室內、室外環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。該設備利用模擬測試平臺進行復雜環境因素耦合設計，在復雜環境因素耦合作用下進行圍護材料耐候性模擬測試試驗，研究圍護材料耐候性及蒸汽滲透的變化，用于細節的研究和實踐論證。

1 檢測方法研究

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

1.1 傳統的耐候性試驗

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

圖2 三種耐候試驗的曲線圖

熱雨循環 80 次：每個周期為 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。熱雨循環后，靜置 2 d。

熱冷循環 20 次：每個周期 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。熱冷循環后，靜置 2 d。

凍融循環 25 次：每個周期 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 且相對濕度不低于 80 %。

蒸汽滲透試驗需要對定型的小試件材料單獨進行檢測。

1.2 考慮蒸汽滲透的耐候性試驗檢測

考慮蒸汽滲透的耐候性試驗檢測，與傳統耐候試驗檢測相比較有以下幾點變化。

①室外環境箱模擬室外環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，同時增減各試驗階段的試驗時間，可以使耐候性的試驗條件更加多樣化；②室內環境箱提供穩定的溫濕度條件，使不同材料的蒸汽滲透對比更有可比性；③檢測的外保溫系統試件換成 1 m2的圍護材料試件（見圖3），固定在室內環境箱和室外環境箱中間。圍護材料內部添加預埋傳感器，可以時時監控建筑圍護材料內部濕度的變化；整體試件也方便采用熱流計法測試圍護結構傳熱系數，分析蒸汽滲透對熱傳遞的影響；④增加了蒸汽滲透量的測量和露點的測量，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行檢測，不用分開測試。

圖3 試件車及圍護材料試件

1.2.1 建筑圍護試件的安裝

建筑圍護材料砌在試件車的試件框內（見圖3），試件框中間為 1 m×1 m 的方框，進深 0.4 m，試件車其中一側有一個方形觀測孔，可引入 6 只溫濕度傳感器分別砌在試件內不同位置，在實驗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，要干燥放置一段時間，直到濕度變小。這些傳感器可以實時監控圍護材料內不同位置的溫度和濕度變化。不僅在試驗階段，在養護階段也可以觀察圍護材料內溫濕度的變化。

1.2.2 蒸汽滲透量的計量

試件密封在室內環境箱和室外環境箱中間，除了做耐候性試驗，也可以做蒸汽滲透的試驗。做蒸汽滲透試驗時，方形不銹鋼水分收集箱（見圖4）可以內嵌在室外環境箱內，箱體內水平放一個高精度電子秤，精度為 0.01 g，內放置一個通風小盒，里面放置穩定的吸水材料（如 3a 分子篩）可收集水分，把試件箱室外側扣在不銹鋼箱上，密封并與室外環境箱卡緊。把室內環境箱設定為高濕環境，室外環境箱設為低濕環境，工作開始后時時采集電子秤數據，數據時時更新，可以通過采集的各個參數，當電子秤在單位時間內重量的變化趨于穩定，可以計算出蒸汽滲透量的變化情況。水分收集箱也可以內嵌在室內環境箱內，測試方法類似。

圖4 濕度水分收集系統

1.2.3 蒸汽滲透的計算方法

試驗設備的水分采集箱內部長×寬×厚為 1 m× 1 m×0.4 m，面積為 1 m2，內部體積為 0.4 m3。圍護材料的厚度，大氣壓力值也需要做好記錄（見圖5）。實驗中室內和室外環境箱、水分采集箱以及試件內的 6 組傳感器的溫度值、濕度值時時記錄，如水分采集箱內溫度恒定在 23 ℃±0.5 ℃，在室外和室內環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算可以得到蒸汽滲透的變化，如式（3）所示。

式中：ωφ為單位時間內蒸汽滲透水分的重量，g/（m2·h）；mo為蒸汽滲透試驗結束后干燥劑的重量，g；mi為蒸汽滲透試驗開始前干時燥劑的重量，g；md為所選第 1 時間點水分采集箱內的絕對濕度重量減去所選第 2 時間點的絕對濕度重量的差值（由于采集箱體積固定，濕度溫度時時測量，可以通過相對濕度的計算公式反推得到不同時間點的絕度濕度質量），g；Δt為所選時間段的差值，h；A 為試件面積，m2。

從上面的公式中可以得到不同時間段的蒸汽滲透質量，當連續幾個時間段的計算重量都比較接近即滲透率穩定，試驗可以結束。所測數據體現在不同耐候條件下或耐候試驗前后各種圍護材料的蒸汽滲透情況。實際測量的值與理論計算的值相互驗證，通過對比，可以不斷的改進和修正測試方法，同時完善理論計算結果。

本設備中露點溫度的測量對了解圍護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。試驗中如室外環境箱的溫度遠低于室內環境箱的溫度，圍護材料試件的內表面的溫度一般就會低于室內環境箱的空氣溫度，當內表面溫度低于室內環境箱中空氣露點溫度時，空氣中的水蒸氣就會在內表面凝結。因此，檢驗圍護材料的內表面是否結露主要依據其溫度是否低于露點溫度，可以知道傳濕過程是否在結露狀態下進行，對蒸汽滲透研究有一定的幫助。

2 設備研發

2.1 設備介紹

建筑圍護材料耐候性檢測設備由室外環境箱模擬系統、室內環境箱模擬系統、試件框架系統、傳濕重量采集系統（安裝在試件框內部）組成。

每個系統內各工作單元協調合作，各系統內根據要求含有控濕、控溫、淋雨、稱重等功能，數據時時采集并做好記錄處理。

室外環境箱模擬系統模擬周期變化的惡劣自然環境，由制冷機組、加熱箱體、恒溫水箱及噴淋、轉輪除濕和霧化器組成，溫度在 -25～75 ℃ 區間控制，濕度 0 % 到 90 % 可調，水流量 1.0～1.5 L/m2·min，可測溫度、流量、濕度、露點溫度。

室內模環境箱模擬系統模擬室內環境，由除濕、加濕，全直流變頻空調組成（精度在 0.1 ℃），溫度在20～30 ℃可調，濕度 30 %～100 % 可控。可測露點溫度、溫度、濕度（見圖6）。

圖6 設備實際外形圖

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，底部四底角邊裝配有四個承重輪，中間特別增加了一個輪子，使試件在較大載重的情況下，移動靈活，便于操作。試件車室內側面與室內環境箱對接，室外側與室外環境箱連接，通過膠條和裝夾裝置卡緊密封。

同時設備有六組特制溫濕度傳感器，可以填埋在試件基墻的各個層面，觀測試件在各種條件下濕度的變化情況，并可以在室外環境箱嵌入水分采集箱，采集箱內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，主要實現對監測的數據的采集，處理以及控制運行等功能。軟件包括不同的控制界面如主控界面、參數設置、時時曲線和時時數據等。時時采集及記錄各種參數并有自校功能、斷電數據存儲功能、斷電工作狀態記錄功能，多項報警及保護功能。與電子秤的通訊采用 RS-485。

2.2 設備特點

2.2.1 節能性

1）室外室內環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，同時所選材料為 B1 級防火材料，保證設備的安全性。

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，減少冷橋的產生。

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

圖7 單一機組雙路膨脹閥

4）控濕和淋雨采用恒溫循環系統，保證水的循環利用。

2.2.2 耐用性

1）保溫箱體外側裝有完善的鋼結構，通過方便快捷的卡式鎖緊裝置，并配有定制的密封條，使室內和室外環境箱與試件架能有較嚴密的結合；

2）箱體內部配件主要為鋁，銅，不銹鋼等材料，使設備能在較惡劣的環境下長久運行；

3）試件車采用 15 mm 的 PU 板做內襯，外部采用鋼結構框架，內填充保溫材料，保證設備的長久耐用。

2.2.3 智能性

控制系統采用臺達 PLC 及觸摸屏控制，一鍵式操作，設置好控制參數，循環次數，點擊開始，設備開始運行，完成試驗后設備自動停機。另外，軟件里提供不同的參數設定，可以根據需求，進行多元化操作。

3 結論

通過對蒸汽滲透建筑圍護材料耐候性檢測設備的研發所取得的結論如下。

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

2）論文提出了一種對建筑圍護材料考慮蒸汽滲透的檢測方法。

3）研發了一種考慮蒸汽滲透建筑圍護材料耐候性檢測設備。

論文提出的考慮蒸汽滲透建筑圍護材料耐候性測試方法和研發的設備對建筑圍護結構耐候性測試和研究有重要意義。Q