2 组轻型木结构建筑外墙热湿耦合性能模拟分析

2021-07-08黄俣劼

西南林业大学学报 2021年4期

饶鑫杨静黄俣劼王正曹瑜

（1.江苏农林职业技术学院风景园林学院，江苏镇江 212400；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

现代轻型木结构建筑因其节能减排、绿色可持续发展，近年来得到大众的认可和政府的大力推广[1-2]。外墙作为建筑主要围护结构，有效改善其保温技术，是提高建筑整体节能减排的关键[3]。同时，合理调节建筑室内温湿度变化是提高居住舒适性的关键[4-5]。目前，研究学者在建筑墙体热湿方面做了大量研究，主要从建筑材料与结构方面着手，研究了不同材料、墙体结构的保温性能[6]。Pihelo 等[7]在气候寒冷条件下开展了高隔热木框架外墙的热湿风险研究表明，在建筑围护结构设计工作中既要注重其保温技术设计，还要重视其湿热技术设计。Wang 等[8]开展对轻型框架建筑中竹木基础剪力墙的保温隔热性能研究，通过有限元模拟以及采用热流板法实测4 种不同竹木墙体结构的导热系数（λ）和传热系数研究，得出工程竹木复合材料的保温隔热性能较低的结论。在此基础上，部分研究学者还建立了建筑墙体热湿长期监测的理念，提出了墙体保温及热湿性能理论模型和试验方法[9-10]。Pihelo 等[11]对建筑结构材料的水分含量以及木框架墙体的湿度变化进行了长期监测研究工作，得出在高度隔热的墙体结构设计中应注重其湿热性能和湿度安全性分析研究。Vanpachtenbeke 等[12]针对2 个典型砖饰面层的木框架墙在不同季节的热湿响应情况，通过在不同季节气候条件下应用不同的蒸汽屏障材料进行研究表明，因冬季相对湿度（RH）偏高，使其霉菌生长指数偏大；数值模拟技术有助于应用于建筑外围护结构的理论分析[13]。Pasztory 等[14]通过有限元模拟分析比较了美国和欧洲木框架建筑墙体的湿热性能，应用有外隔热层设计的欧洲墙体具有更好的保温性能与水分调节性能。Chang 等[15]通过瞬态热湿传送模型（WUFI）模拟研究了主要在韩国使用的2 种不同墙体结构的热湿性能，确定其各种建筑材料的含水量、墙体结构的湿热行为、冷凝风险和霉菌生长潜力。

由于中国的各地气候复杂多样，加之轻型木结构建筑的发展仍处于起步阶段，因此对我国轻型木结构建筑在不同气候条件下的湿热性能进行研究并科学预测尤为重要，对其进一步推广应用具有参考价值。目前，国内对木框架结构建筑的墙体的湿热试验研究工作仍局限于实验室法，在现场检测方面较少；在轻型木结构建筑外墙的材料应用与结构设计部分，对外保温覆面层的保温研究工作薄弱；缺乏系统地对建筑材料热物性和热湿性参数测试等基础研究、现场热工性能测试与模拟预测研究，深入评估建筑外墙的湿热耦合行为。因此，本研究的目的是对地处夏热冬冷的南京2 幢轻型木结构建筑外墙的热湿传递过程进行理论和试验研究，通过WUFI 模拟预测不同自然条件下建筑外墙热湿耦合传递过程，提出建筑外墙保温与温湿度调节优化设计方案。其创新之处在于首先对建筑材料进行参数研究，进而研究建筑结构的热湿耦合作用及温湿度调节作用。在轻型木结构建筑外墙结构设计部分，应用绿色、环保、可再生材料−葡萄牙软木作为外保温结构。木材作为轻型木结构建筑主要建筑用材，其在湿度大的环境中易发霉腐朽。因此，本研究针对轻型木结构建筑2 组外墙结构，一方面，现场实测其传热系数，系统地研究建筑外墙的热工性能；另一方面，通过WUFI 模拟预测其温度、RH和含水量变化，开展外墙热湿耦合作用理论分析。其中，在建筑整体居住舒适度分析的基础上，深入分析建筑外墙结构凝结风险、室内霉菌风险，评估建筑外墙的使用安全性及可靠性，以便更大程度地发挥其建筑自身优势，对墙体节能优化设计工作有至关重要的作用，为住户提供舒适、健康的居住环境，以期对轻型木结构建筑外墙结构的优化设计工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 墙体热工性能测试

1.1.1 试验材料

以2 幢轻型木结构建筑外墙体为对象，其地处夏热冬冷地区的南京市，建筑外墙结构层相同。建筑A 的外墙保温层为葡萄牙软木；建筑B 的外墙保温层为防腐木挂板，建筑现场见图1。

图1 2 幢轻型木结构建筑Fig.1 Two timber-framed structure buildings

轻型木结构建筑外墙结构组成见图2，建筑室内侧至室外侧，依次由12 mm OSB 面板、38 mm×89 mm SPF 墙骨柱（内填保温棉）、12 mm OSB和防水透气膜组成。2 幢建筑外墙的室外侧覆面结构不同，即建筑A 的外墙保温层由40 mm 葡萄牙软木构成；建筑B 的外墙保温层由20 mm 空气层和12 mm 防腐木挂板构成，防腐木挂板与外墙OSB 面板之间采用20 mm×20 mm 的挂板条控制空气层厚度。采用BS224 型电光天平（精确到0.000 1 g）、游标卡尺（0.02 mm）对墙体材料进行测算，得到材料基本参数见表1，其中，a 规格试材用于热物参数试验，b、c、d 规格试材用于热湿参数试验，所有试材与建筑材料相同，并来自同一批材料。

图2 轻型木结构建筑外墙结构示意图（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 测试方法

测试所用仪器主要有：ISOMET 热特性分析仪，分为API 210422 针式探头和API 210411 表层探头；Memmert 电热干燥箱1 台；HCP153 动态恒温恒湿箱1 台；Lambda 2000 热流仪1 台；HT−1 热流巡检仪1 套；NSB−TY80A 立式取暖器4 台。

具体测试方法：

1）材料参数测试方法根据ISO 8302—1991[16]，对表1 中a 规格材料进行热物性参数测试。根据GB/T 20312—2006[17]和GB/T 20313—2006[18]，测试材料湿热性能，采用动态恒温恒湿箱进行含水率平衡处理，记录材料吸湿情况；通过材料吸水处理，测量其不同含水量条件下的λ，采用热流法导热仪进行热流功率检测，记录不同温度条件下材料的λ。

表1 材料参数Table 1 Parameters of materials

2）墙体热工性能测试方法对A、B 幢建筑的外墙进行现场热工性能测试，根据GB/T 34342—2017[19]和JGJ/T 132—2009[20]，调节围护结构两侧表面温度差>10 ℃，且在测试中均大于低温侧表面温度。根据DGJ32/J 23—2006[21]，采用热流计法实测A、B 幢建筑4 种墙体的热流量和内外表面温度，得其热阻和传热系数。其测试原理见图3，测试现场传感器布置见图4。

图3 热流计法检测示意图Fig.3 Schematic diagram of heat flow meter detection

图4 轻型木结构建筑外墙传感器布置图Fig.4 Sensor layout of exterior wall of timber-framed structure building

1.2 外墙结构的热湿非稳态计算

本研究采用WUFI Pro Version 6.1 软件[22-23]建立A、B 幢木结构建筑外墙热湿非稳态模型，其热湿模拟流程见图5，以预测试验外墙体系统的温度、RH 和含水量变化。

图5 模拟流程Fig.5 Simulation process

1.2.1 外墙热湿非稳态模型设置

确定2 幢轻型木结构建筑4 种常规类型墙体结构，A 幢建筑分为软木−SPF（a 墙体）和软木−保温棉（b 墙体）结构，B 幢建筑分为防腐木−SPF（c 墙体）和防腐木−保温棉（d 墙体）结构，其建立外墙热湿非稳态模型的主要步骤为：首先，输入各层建筑材料基本参数、热物性参数及湿物性参数；再细分计算网格。

1.2.2 计算设置

鉴于本建筑受太阳辐射与降雨影响，设置本墙体的方位、倾角分别为东北向和0°。

1.2.3 边界条件设置

在建立外墙热湿非稳态模型后，对室内外边界条件进行设置。确定模拟计算的时间段（2017 年1 月1 日—2018 年1 月1 日，共计步长1 a）。该软件中规定左侧、右侧分别代表墙体外、内表面（如图6）。其边界条件数据来自于南京市2017 年气象资料，主要包括：大气压、温度、湿度、风向、风速、年降雨量、辐射总量和净辐射量。室内（右侧）边界条件经室外（左侧）边界条件输入后生成得到[24]。

图6 轻型木结构建筑墙体的模型图Fig.6 Model drawing of timber-framed structure building wall

2 结果与分析

2.1 热物性参数结果与分析

为确保试验可靠性，各试材的λ、比热容（c）、热阻（R）等参数均测试5 次，并取平均值见表2。

由表2 可知，本建筑所用的葡萄牙软木和保温棉材料的λ≤0.05 W/(m·K)，为高效保温材料；OSB 和SPF 材料的λ ≤0.14 W/(m·K)，为高效保温材料；松木防腐木挂板和防水卷材的λ<0.23 W/(m·K)，为绝热材料[25]。

表2 材料热物性参数测算值Table 2 Measured values of thermal parameters of materials

c由小到大的排序为佳殿玻璃保温棉、空气间层、OSB、防水卷材、松木防腐木挂板、葡萄牙软木和SPF。其c值越大，吸热能力越强，材料温度变化小，稳定性好。λ 从小到大依次为保温棉、软木、SPF、OSB、松木防腐木挂板、防水卷材。体积相同的材料，其密度越小，材料内部孔隙结构占比就大，λ 也越小。OSB 和松木防腐木挂板材料在加工过程中经过特殊处理，材料细胞间隙减小，导致其λ 大。

2.2 热湿性参数结果与分析

2.2.1 与湿度相关的水分含量

由图7 和表3 可知，在温度相同的工况下，5 种外墙体材料平均水分含量随其RH 的增高而增大。由SPF 的等温吸湿曲线可知，当湿度为80%～90%时，其吸湿量猛增，其原因是SPF 规格材在湿度不同的环境条件下，其微晶体表面因分子间力和氢键力作用，将其空气中的水分子吸附，形成吸附水。为了适应空气湿度的变化，这部分水层厚度因空气的RH 增高而增大。当木材达到其纤维饱和点后，其细胞腔与其间隙中产生自由水，并形成骤增趋势。表3 中的墙体材料吸湿能力由小至排列顺序为保温棉、软木、OSB、防腐木挂板、SPF。

图7 水分含量测试Fig.7 Test of moisture content

表3 RH 不同情况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 与温度相关的材料导热系数

材料λ 现场测试见图8。其软木、防腐木、OSB、佳殿保温棉和SPF 的初始含水率分别为30、60、40、60、80 kg/m3。

图8 与温度相关的λ 测试Fig.8 Field diagram of temperature dependent thermal conductivity test

由表4 可知，表明外墙材料的λ 与温度呈正相关。其原因是随着材料内部分子的热量骤增，易使材料孔隙中空气的导热和辐射作用增强。

表4 各材料温度相关下的λ（间隔10 ℃）Table 4 Thermal conductivity of all materials under temperature dependence(interval 10 ℃)

2.2.3 与湿度相关的材料导热系数

由表5 可知，材料的λ 随着其水分含量的增加而增加，其根本原因是由于水的λ 远远大于OSB，软木，松木防腐木挂板，SPF 和保温棉。表5 中的墙体材料吸水能力由小至大排列顺序为OSB、软木、松木防腐木挂板、SPF、保温棉。

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

2.3 墙体热工性能及WUFI 模拟分析

2.3.1 墙体热工性能分析

由表6 可知，其模拟值和实测值结果相近，且相对误差在10%内，即可有效利用WUFI 模拟预测建筑外墙体的保温特性。A 幢建筑外墙体的传热系数小于B 幢建筑外墙体，即A 幢建筑的整体保温性能优于B 幢建筑。b 墙体、d 墙体的传热系数值小于a 墙体、c 墙体，表明该建筑外墙体内置保温棉材料的保温性能优于内置SPF 材料。

表6 传热系数实测值与模拟值Table 6 Measured and simulated values of heat transfer coefficient

根据复合墙体的实际传热计算，得到A、B 型木结构建筑的外墙传热系数有效值分别为0.275、0.363 W/(m2·K)。很显然，其理论有效传热系数均小于0.4 W/(m2·K)，本研究中的A、B 幢建筑均适用于严寒地区。

2.3.2 居住舒适度分析

根据生理学家研究，冬天温度18～25 ℃，RH 范围在30%～80%；夏天温度23～28 ℃，RH范围在30%～60%是最宜人的室内温湿度，在此范围内感到舒适的人群占95%以上。室内温度过高人体感受过热，尤其是冬季室内温度若保持在23 ℃以上，则会疲倦、眩晕。室内温度过低人体感受过冷，尤其是夏季室内温度若保持在22 ℃以下，则会腰酸背痛、疲倦无力。在注意室内温度调节的同时，还应注意室内湿度。夏季，当室内湿度过大时，会抑制人体的散热，使人感到非常热、烦躁。冬季，室内湿度大时，会使人感到寒冷、抑郁和易患感冒。

实测结果得知，A 幢建筑1—3 月室内温湿度平均为7.5 ℃、61.4%，B 幢建筑1—3 月室内温湿度平均为7.4 ℃、69.1%；模拟结果得知，A 幢建筑全年室内温湿度平均为22.6 ℃、54.92%，B幢建筑全年室内温湿度平均为22.09 ℃、56.13%；这表明，室内开空调的情况下，1 年中A、B 幢木结构建筑温度及冬季湿度均在适宜区间内，且A 幢建筑满足人体舒适度更高。由于南京地处夏热冬冷区，故夏季，该轻型木结构建筑室内湿度水平较高，应进行室内除湿处理。

2.3.3 凝结风险分析

为了避免木结构建筑墙体冷凝现象的产生，保持其耐久性特性显得尤为重要[26]。图9 分析了4 种墙体的冷凝情况。由于4 种墙体结构的全年室内温度均大于最高露点温度18 ℃，故不易发生冷凝，该建筑针对南京气候环境是很适合的。

图9 墙体凝结风险分析Fig.9 Risk analysis of wall condensation

2.3.4 室内霉菌风险分析

霉菌的生命活动与温度、湿度、营养物质、材料多孔性、酸碱度等因素密切相关。在一定的热湿条件下居住建筑结构中某些区域易滋生霉菌，在RH 为90%～100%时，最易滋生霉菌，国际能源机构提出RH 等于80%为霉菌生长的临界值[27]。研究采用WUFI Bio 对4 种墙体进行室内霉菌风险模拟分析，其临界水分含量与孢子内水分含量变化见图10。

图10 表明，A、B 幢建筑的4 种墙体室内墙面在2017—2018 年预测期内不易产生霉菌现象。由于预设安装了空调的缘故，墙体临界的水分含量均波动较小，且墙体的孢子内水分含量范围与波动性基本一致。