严寒地区真空绝热板外保温系统传湿路径研究

田野， 夏赟， 李壮贤， 张一恒

（黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

国内外对于真空绝热板的研究，多关注于保温箱和各种冷冻设备等非建筑领域，对于建筑用真空绝热板的研究较少［1］。自DB 23/1270-2019《黑龙江省居住建筑节能设计标准》于2020年7月1日实施，宣告黑龙江省建筑节能由原来65%+迈上了新的台阶，对适用于外墙外保温的保温材料提出了更高的要求。当前，市场上有2种主要类型的保温材料：无机保温材料和有机保温材料，无机保温材料本身是不燃材料，对底壁的附着力好，但绝热性能差、容易开裂［2］；有机保温材料常见的有EPS板、XPS板，聚氨酯板等，具有良好的隔热性能，且应用广泛，但是防火性能较差，在使用过程中存在较大的安全隐患，两种类型材料各有优缺点。随着碳达峰，碳中和目标的提出，必须寻找更适宜黑龙江省气候环境的绿色新型产品，而真空绝热板作为新型隔热材料，本身燃烧性能为A级，而且导热系数为0.004～0.008W/（m·K），30～35mm就相当于厚度150mm左右的EPS板，超薄的设计不仅可以使墙体瘦身，而且不用增加外墙保温层的厚度，同时适用于新建建筑以及既有建筑的围护结构改造项目，使用安全。但真空绝热板也存在不透气、不可切割的特点，需进一步进行细部研究。文中从湿传递方面探究在严寒地区建筑外墙外保温系统中STP板在不同结构墙体中适用性，通过计算围护结构各个界面温度以及水蒸气分压变化，综合分析围护结构内部冷凝情况。

1 围护结构墙体设计方案

1.1 基墙设计方案

文中采用的是青岛科瑞新型环保材料有限公司生产的真空绝热板（简称STP板）浆料复合型外墙外保温系统，根据夏赟［3］试验方案设计中的墙体结构以及计算得出的STP板设计厚度，在这里只研究常用的两种基墙材料，分别为钢筋混凝土和轻集料小型空心砌块。墙体构造形式为“5mm抗裂砂浆+抹面保温砂浆+STP板+墙体材料+20mm水泥砂浆”的构造形式，具体的墙体构造如图1所示。

图1 STP板保温墙体构造

1.2 板缝处的处理方式

在实际建筑施工中，在板缝处最常见的三种处理方式如下：

一是板缝处未压入保温砂浆，板缝间为密闭空气腔；二是在实际工程板缝相对较窄，无法放置填塞材料，直接在板缝内压满保温砂浆（这里仅考虑板缝完全被抹面保温砂浆填满的情况）；三是板缝处采用填塞PE棒，PE密封棒材料主要是聚乙烯。

1.3 墙体传湿参数计算

根据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》［4］和DB23/T 2473-2019《黑龙江省建筑外墙用真空绝热板（STP）应用技术规程》［5］，所选材料的热物性参数见表1。其中，PE棒、抹面保温砂浆的热物性参数为实际测试结果，轻集料小型空心砌块的蒸汽渗透系数，取炉渣混凝土的蒸汽渗透系数数值，在计算轻集料小型空心砌块的蒸汽透湿阻时，按非承重墙体中最不利情况即蒸汽透湿阻最小（肋厚和最小外壁厚分别为20mm）时进行计算。由于STP板蒸汽渗透系数几乎为0，其STP板的蒸汽渗透系数采用韩雪琪［6］中所计算的取值为0.1×10-5g/（m·h·Pa）。

表1 外墙材料热物性参数

2 围护结构墙体内部冷凝计算

2.1 围护结构冷凝验算依据

文中对围护结构的冷凝验算按照GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》中的方法进行，具体过程如下：

（1） 求各个界面实际的水蒸气分压，计算公式如下：

（2） 单一匀质材料层蒸汽渗透阻按下式计算：

式中，H为材料层的蒸汽渗透阻，（m2·h·Pa）/g；σ为材料层的厚度，m；μ为材料的蒸汽渗透系数，g/（m2·h·Pa）。

（3） 多层匀质材料层组成的围护结构的蒸汽渗透阻按下式计算：

式中，H1、H2、……Hn为各层材料的蒸汽渗透阻，（m2·h·Pa）/g。

（4） 墙体各个界面的温度计算公式如下：

（5） 水蒸气分压力对比，以界面层为横坐标，绘制各界面饱和水蒸气压力和相应的实际水蒸气分压力P折线图，观察两条线是否相交，若相交则墙体内部有可能出现冷凝现象。

2.2 钢筋混凝土墙体的各层材料的水蒸气分压

由于冷凝现象一般发生在冬天，室内外温差大，尤其是在严寒地区，冬季室外温度较低，故在这里只验算严寒地区，以“哈尔滨”地区为例。根据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》，选取冬季室内采暖温度18℃，其对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压值为2062.5Pa，相对湿度选取60%时，其对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压值为1237.5Pa；Pe选取黑龙江哈尔滨市计算采暖期室外平均温度为-8.5℃，其对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压值为296.0Pa，则平均相对湿度为62%时，对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压值为183.52Pa。

经计算各界面的水蒸气分压及蒸汽渗透阻如下表2和表3所示，由1.2可知，板缝处可分为三种情况，①板缝处无任何填充材料，此处H3为封闭空气层的蒸汽渗透阻，按GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》3.4.15中规定，封闭空气腔取值为零；②板缝处填充抹面保温砂浆，则此时H3和H4为同一界面，即为抹面保温砂浆的蒸汽渗透阻；③板缝处填充的PE棒，则此处H3为PE棒的蒸汽渗透阻。

表2 各层界面的蒸汽渗透阻 （m2·h·Pa）/g

表3 各界面水蒸气分压 Pa

2.3 钢筋混凝土墙体各层饱和水蒸气压计算

在计算钢筋混凝土墙体各层饱和水蒸气压时，由各层材料的导热系数即可求得各层界面的热阻见表4，其中板缝处情况①为封闭空气腔热阻，按GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》附录B表B.3封闭空气间层热阻选取。根据室内外空气温度ti和te，从而确定各层界面温度，见表5；由表5得出的结果，通过查GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》中B.8，可以得到各层界面温度所对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压，如表6所示。

表4 各层界面的热阻 （m2·K）/W

表5 各层界面温度 ℃

表6 各层饱和水蒸气压Pa

2.4 计算结果分析与整理

根据文中计算的结果，可以绘制围护结构实际水蒸气分压P线和饱和蒸气分压Ps线分布图，如图2所示，从而判断围护结构内部的冷凝情况。

图2 27mmSTP板围护结构内部冷凝情况

图2中横坐标为各层界面，方向为热流传递方向（由室内到室外），在基墙为钢筋混凝土，STP板为设计厚度27mm时，墙体沿厚度的同一位置上，饱和蒸气分压Ps高于实际水蒸气分压P，两条线未相交，这时保温构造在此环境下不会冷凝。根据上述计算方法，在墙体材料为轻集料小型空心砌块，STP板为设计厚度22mm时，绘制水蒸气分压力分布如图3所示。

图3 22mmSTP板围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度60%）

很显然，当墙体材料为轻集料小型空心砌块时，在STP板处不会发生冷凝现象，但在板缝处会出现实际的水蒸气分压力大于饱和水蒸气分压的情况，分析该种墙体结构在板缝处三种处理方式，分别在界面4和界面3处Ps线和P线出现相交的情形，说明在板缝处容易出现冷凝现象。

若室内环境条件相对干燥，这种围护结构是否还会出现冷凝的现象？通过计算并绘制水蒸气分布图，如图4所示，在室内相对湿度为45%时，Ps线与P线未相交，但情况①和情况③在界面4处实际水蒸气分压值与饱和水蒸气分压值差值较小，有冷凝倾向。

图4 22mmSTP板围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度45%）

3 结语

文中通过对严寒地区建筑外墙外保温系统中STP板在不同结构墙体进行内部冷凝验算分析，得出结论如下：

（1） 当基墙材料为钢筋混凝土，按设计标准冬季室内相对湿度为60%时，墙体各个界面的饱和蒸气分压高于实际水蒸气分压，这种保温构造在此环境下不会出现内部冷凝现象。

（2） 当基墙材料为轻集料小型空心砌块，按设计标准冬季室内相对湿度为60%时，STP板处沿墙体厚度方向上各界面不会发生冷凝现象，但在板缝处无论采用哪种处理方式，都会出现实际水蒸气分压高于饱和蒸气分压的情况，墙体内界面会出现冷凝现象，影响墙体的耐久性。当室内相对湿度小于45%时，墙体内不会发生冷凝现象。

（3） 若采用轻集料小型空心砌块为基墙材料时，在湿度大的房间，建议在外墙内表面采用隔汽措施，以防出现冷凝现象。