丁葉蔚 傅海燕 王 正 曹 瑜

( 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

木材作為一種更環(huán)保、更貼近自然的建筑材料，獲得諸多建筑師喜愛[1-2]。木結(jié)構(gòu)建筑在全世界范圍內(nèi)已被證明是節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑，近年來，得益于大眾的認(rèn)可和政府的推廣[3]，歐洲和北美發(fā)達(dá)國家的木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，特別是在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、倡導(dǎo)綠色環(huán)保的新時(shí)代，木結(jié)構(gòu)建筑因其造型優(yōu)美、舒適、低碳等特點(diǎn)備受青睞。典型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑形式有北美的輕型木結(jié)構(gòu)建筑、俄羅斯典型民居木刻楞等，但隨著木材加工技術(shù)的不斷改進(jìn)，新型重型多高層木建筑已成為目前建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)和研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外許多建筑類、材料類專家、學(xué)者針對(duì)重型多高層木建筑的材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等進(jìn)行了多方位、多角度的研究，其中木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫及熱濕性能是材料學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。鑒于此，本研究通過梳理國內(nèi)外對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫及熱濕性能的研究現(xiàn)狀，總結(jié)木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫最新成果以及木結(jié)構(gòu)建筑熱濕耦合傳遞研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步研究木結(jié)構(gòu)墻體熱濕傳遞機(jī)理、木結(jié)構(gòu)墻體改性等研究提供參考。

1 木結(jié)構(gòu)建筑外墻保溫特性研究

建筑墻體的熱量傳遞是由導(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射3種基本熱傳遞方式中的一種或幾種所組成，其過程見圖1。熱量首先由室內(nèi)空氣以對(duì)流換熱和墻體與室內(nèi)物體間的輻射方式傳給墻內(nèi)表面，再由墻內(nèi)表面以固體導(dǎo)熱方式傳遞到墻外表面，最后由墻外表面以空氣對(duì)流換熱和墻與周圍物體間的輻射方式傳遞到室外環(huán)境。在其他條件穩(wěn)定不變情況下，建筑物的室內(nèi)外溫度差越大，傳遞的熱量也就越大。墻體傳熱要經(jīng)過3個(gè)過程：表面吸熱、結(jié)構(gòu)本身傳熱和表面放熱，其中表面吸熱和表面放熱統(tǒng)稱為表面換熱[4]。建筑墻體冷熱面的溫度差大小，直接關(guān)系到所傳遞熱量的大小，而墻體傳熱的快慢則由材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能參數(shù)決定。木結(jié)構(gòu)建筑外墻體為復(fù)合夾芯墻體，其包含覆面層、結(jié)構(gòu)層、保溫層。對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)而言，覆面層一般由外掛板、抹灰、防水隔熱材料及必要的剪力承擔(dān)構(gòu)件木基結(jié)構(gòu)板材和面用石膏板組成；結(jié)構(gòu)層由建筑中承載外力的木框架承擔(dān)；保溫層用保溫隔熱材料，一般為保溫棉或巖棉等保溫材料進(jìn)行框架填充[5]。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)住宅材料和保溫性能開展了一系列的研究。趙勇[6]在外墻保溫研究方面分析了輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體不同木龍骨尺寸、間距，保溫材料對(duì)熱物理性能的影響，并采用Dest專業(yè)熱學(xué)分析軟件分析木結(jié)構(gòu)住宅的保溫性能。孫辰[7]測(cè)定了不同保溫材料，木龍骨間距，木龍骨尺寸對(duì)墻體保溫的影響，并用ANSYS模擬測(cè)量結(jié)果，研究表明：保溫材料、木龍骨間距、木龍骨尺寸對(duì)墻體的傳熱系數(shù)測(cè)試均有影響，ANSYS軟件模擬輕型木結(jié)構(gòu)墻體的傳熱得到的數(shù)據(jù)表明墻體熱流量大小排序?yàn)椋菏喟澹綩SB＞保溫板＞木龍骨＞玻璃棉，模擬與實(shí)測(cè)相關(guān)性達(dá)到0.9。 Kosny等[8]針對(duì)適用于住宅和小型商業(yè)建筑的雙層墻體、Larsen桁架墻體、最佳或先進(jìn)的框架墻等4種墻體的保溫效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明：雙層墻體、Larsen桁架墻體具有更為優(yōu)越的保溫效果。袁廷閣[9]以8種不同構(gòu)造的輕型木結(jié)構(gòu)墻體的保溫性能為研究對(duì)象，采用熱箱-熱流計(jì)法對(duì)8面墻體進(jìn)行了傳熱系數(shù)測(cè)試，分析了保溫材料、木龍骨間距、木龍骨尺寸對(duì)墻體的及外保溫等對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)墻體保溫性能的影響，并將其與理論計(jì)算值、ANSYS模擬值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：采用交錯(cuò)木龍骨或增大木龍骨間距可提高墻體的保溫性能；理論計(jì)算值、熱箱-熱流計(jì)實(shí)測(cè)值與ANSYS模擬值相對(duì)誤差在10%左右，且相關(guān)性高。楊靜等[10]利用熱流法對(duì)一棟瑞典輕型木結(jié)構(gòu)墻體單元和試件的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量研究，主要包括對(duì)其墻體試件傳熱系數(shù)的測(cè)定、墻體試件各組成單元導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定、多層平壁和組合壁導(dǎo)熱系數(shù)理論計(jì)算值與墻體構(gòu)件傳熱系數(shù)測(cè)定值等進(jìn)行對(duì)比與分析，結(jié)果表明：用熱流法測(cè)定的輕型木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)具有精確、快速等優(yōu)點(diǎn)；墻體試件的傳熱系數(shù)測(cè)定值與理論計(jì)算值相近；該輕型木結(jié)構(gòu)墻體主體部分的傳熱系數(shù)均值為0.56 W/（m2·K），輕型木結(jié)構(gòu)具有良好的保溫節(jié)能特性。之后，楊靜等[11]采用建筑圍護(hù)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法，對(duì)內(nèi)置兩種材質(zhì)的玻璃保溫棉在同一輕型木結(jié)構(gòu)房外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)傳熱系數(shù)測(cè)定，以此比較墻體保溫系數(shù)的測(cè)試值與理論值，并優(yōu)選保溫棉填充材料，結(jié)果表明：墻體內(nèi)填充材料為玻璃保溫棉A的墻體的隔熱保溫性能優(yōu)于玻璃保溫棉B；對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行傳熱數(shù)值計(jì)算，得到各組成材料溫度的計(jì)算值與測(cè)試值具有同向可對(duì)比性，因此可用復(fù)合材料理論預(yù)測(cè)木結(jié)構(gòu)熱學(xué)性能。

圖 1 墻體傳熱原理Fig. 1 The heat transfer principle of wall

2 木結(jié)構(gòu)建筑熱濕耦合傳遞研究

早在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了針對(duì)建筑外墻保溫技術(shù)的探索，但直到1973年世界石油危機(jī)以后，其外墻熱濕技術(shù)才得以在諸多國家長(zhǎng)足發(fā)展。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)木結(jié)構(gòu)外墻體保溫技術(shù)進(jìn)行了研究，主要集中在建筑吸濕材料中的熱量和濕氣傳遞及其與環(huán)境空氣的相互作用。由于氣候、施工等多種原因，木結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部的熱濕傳遞與劇烈的氣溫變化引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫濕度變化（熱濕耦合），而熱濕耦合效應(yīng)影響著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、建筑節(jié)能、室內(nèi)溫濕度[12]。雖然木結(jié)構(gòu)建筑的外保溫墻體增加了保溫層，基本消除了內(nèi)表面結(jié)露問題，但是水分必然會(huì)進(jìn)入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，引起墻體內(nèi)積水、保溫性能下降、保溫材料鼓泡、凍結(jié)開裂，嚴(yán)重地影響了墻體的耐久性?；趥鳠醾髻|(zhì)理論，國內(nèi)外學(xué)者們提出了各種各樣的理論模型和試驗(yàn)技術(shù)方法，應(yīng)用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱傳濕性能分析，取得了一定的研究成果。

2.1 理論模型研究

1977年，Whitaker[13]對(duì)墻體內(nèi)濕積累進(jìn)行了測(cè)量。1985年，Tenwolde[14]對(duì)多層復(fù)合墻體內(nèi)水蒸汽遷移進(jìn)行了一維穩(wěn)態(tài)熱濕研究，但未考慮時(shí)間的變化對(duì)其影響。 Fairey[15]提出了三維熱濕研究模型計(jì)算建筑構(gòu)件的吸放濕速率，其研究前提為假設(shè)表面材料和周圍環(huán)境達(dá)到瞬態(tài)平衡，之后通過求解熱傳遞偏微分方程，確定吸放濕量。1990年，Cunningham[16]采用修正的對(duì)流質(zhì)傳遞系數(shù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算吸濕建筑構(gòu)件的含水率，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。他還通過計(jì)算得出了單側(cè)壁和雙側(cè)壁的有效滲透深度值，結(jié)果表明：有效滲透深度與邊界層阻力無關(guān)。1992年，Tao等[17]建立了一維瞬態(tài)熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型，將蒸汽吸收或產(chǎn)生的熱量計(jì)入能量守恒方程，這使得邊界條件的處理變得簡(jiǎn)捷方便。1993年，Burch[18]建立了一維瞬態(tài)熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型，該模型把相變潛熱對(duì)濕遷移的影響包括在邊界條件中。1998年，Stewart[19]等研究了墻體兩側(cè)的空氣壓力差對(duì)墻體內(nèi)側(cè)蒸汽流動(dòng)的影響。2003年，蘇向輝等[20]采用構(gòu)建模型、建立邊界條件和數(shù)值計(jì)算等方法，完善了多層多孔結(jié)構(gòu)一維瞬態(tài)熱濕耦合的模擬研究，并在此基礎(chǔ)上建立了濕傳遞過程中瞬態(tài)熱濕耦合模型，基于有效有限差分法提出了一種在非線性邊界條件下預(yù)測(cè)多層多孔結(jié)構(gòu)傳熱和濕傳遞過程的數(shù)值方法。2009年，郭興國等[21]以長(zhǎng)沙地區(qū)為例，在炎熱和潮濕的中國南方地區(qū)氣候中分析木結(jié)構(gòu)墻體熱量和水分的分布，建立了以空氣含水量和溫度為驅(qū)動(dòng)力的復(fù)合墻體一維瞬態(tài)熱濕耦合傳遞方程，分析結(jié)果表明：玻璃纖維內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)問題。2009年，李魁山等[22]利用恒溫條件下，不同相對(duì)濕度的飽和鹽水溶液進(jìn)行了EPS等6種建筑材料的等溫吸濕曲線測(cè)定，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，試驗(yàn)表明：材料在不同相對(duì)濕度下的等溫吸濕數(shù)值可用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞的計(jì)算。2017年，Colinart等[23]對(duì)混凝土進(jìn)行了恒溫恒濕箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的吸濕實(shí)驗(yàn)，其連續(xù)多點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值相符。以上研究表明，靜態(tài)法（利用飽和鹽溶液進(jìn)行濕度控制并進(jìn)行等溫吸放濕曲線的繪制）相對(duì)濕度點(diǎn)較少，且在稱重過程后恢復(fù)原始的相對(duì)濕度時(shí)間較長(zhǎng)，但精度較高；而動(dòng)態(tài)法（恒溫恒濕箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)）氣體壓力對(duì)濕度傳遞的影響較大一些，精度也略差。

2.2 數(shù)值模擬技術(shù)研究

為了便于實(shí)際應(yīng)用和智能化操作，許多研究人員在數(shù)值模擬計(jì)算的過程中開發(fā)一些應(yīng)用軟件，以縮小模擬與設(shè)計(jì)間的差距。1994年，Burch等[24]借助有限差分法建立熱濕傳遞模型，求解非等溫條件下墻體的熱濕傳遞耦合值，由此開發(fā)模擬軟件MOIST，可用于在不同季節(jié)里多層復(fù)合墻體結(jié)露情況的分析。1994年，F(xiàn)inlayson[25]提出，THERM是利用有限元方法模擬二維穩(wěn)態(tài)傳熱問題，其模型主要是模擬窗戶的熱性能。2001年，由橡樹嶺國家試驗(yàn)室和Fraunhofer建筑物理研究所(IBP)聯(lián)合開發(fā)出的WUFI軟件是基于先進(jìn)的濕熱模型開發(fā)出的新一代應(yīng)用軟件[26]，它解決了耦合熱、水分運(yùn)輸?shù)慕ㄖΡ诤臀菝娴葒o(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的問題。2006年，Esmaeilpour發(fā)展了CHAMPS熱濕性能分析軟件，可用來模擬計(jì)算多場(chǎng)耦合。2012年，Karagiozis等[27]利用WUFI Pro 5.0對(duì)比了北美及歐洲木結(jié)構(gòu)墻體在濕熱性能，采用印第安納波利斯的氣候參數(shù)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，由于聚苯乙烯泡沫（EPS）隔熱層的存在，歐洲木結(jié)構(gòu)墻體具有更好的熱物性能；但當(dāng)EPS厚度減少到美國木結(jié)構(gòu)墻體的使用厚度時(shí)，歐洲墻體的熱物性能較美國墻體差。歐洲墻體的防潮受損性能比美國墻體好，其原因之一是因?yàn)镋PS具有高的擴(kuò)散阻力。但是如果水分能夠滲透結(jié)構(gòu)，EPS對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生損害。

2014年，Mcclung等[28]在濕熱環(huán)境下進(jìn)行了CLT組件的耐久性測(cè)試及其仿真模擬研究。該研究組在加拿大安大略南部，利用SPF規(guī)格材、CLT等5種木質(zhì)材料及4組不同安裝方式，對(duì)其組裝的16塊規(guī)格為600 mm×600 mm的墻體進(jìn)行了干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，1個(gè)月內(nèi)，三組安裝呼吸紙的CLT板的含水率值均由月初的30%下降至月末的26%，另一組安裝有聚乙烯的CLT板試件1個(gè)月內(nèi)的含水率未變。這表明聚乙烯膜等這種低滲透性材料易造成CLT板干燥緩慢的結(jié)果。但當(dāng)CLT板內(nèi)外部同時(shí)裝配呼吸紙等低滲透性材料時(shí)，干燥速率會(huì)加快。借助WUFI（瞬態(tài)熱濕遷移)程序，采用隨機(jī)方法對(duì)材料種類、溫濕度條件和環(huán)境荷載等進(jìn)行CLT墻體不同深度的耐熱濕性仿真模擬，利用模擬值和計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，當(dāng)CLT板表層含水率MC＜26%時(shí)，其耐熱濕性模擬值與測(cè)試值吻合度高。然而值得一提的是，除了SPF組，其余結(jié)構(gòu)表層中心含水率模擬值均高于測(cè)試值5%～10%。這是由于CLT板試件內(nèi)部的傳感器不能及時(shí)反映試件外部的相對(duì)濕度，使其仿真模擬結(jié)果不能有效地反映CLT試件內(nèi)部的含水率變化。

2015年，Chang等[29]研究認(rèn)為，現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)密閉且自然通風(fēng)率顯著降低，導(dǎo)致很難清除建筑物內(nèi)的積水后果。尤其在夏天炎熱和潮濕的天氣是導(dǎo)致室內(nèi)溫濕度增高等問題的主要因素；借助WUFI軟件，模擬韓國一整年的天氣變化，從中對(duì)比了木框架墻和混凝土結(jié)構(gòu)墻體熱濕性能、邊界和接觸條件的影響和長(zhǎng)期的含水率性能，從其長(zhǎng)期的含水率表現(xiàn)結(jié)果得知，混凝土結(jié)構(gòu)平均總含水量約為2.85 kg/m3，明顯高于木框架墻；當(dāng)相對(duì)濕度分別為78%和89%時(shí)，木框架結(jié)構(gòu)相較于混凝土結(jié)構(gòu)有更大的波動(dòng)和凝結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

3 展望

近年來，隨著我國綠色理念的提出、木結(jié)構(gòu)建筑環(huán)保優(yōu)勢(shì)的凸顯、木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展、人工林的擴(kuò)種，以及相關(guān)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的制定等態(tài)勢(shì)，使得我國木結(jié)構(gòu)建筑在景觀建筑、公共建筑、住宅建筑中的應(yīng)用越來越廣，市場(chǎng)又漸活躍。由于國內(nèi)外有關(guān)木結(jié)構(gòu)建筑墻體保溫及其木結(jié)構(gòu)建筑熱濕耦合傳遞研究的成果層出不窮，因此我國應(yīng)針對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑保溫的研究也緊跟國際學(xué)術(shù)研究步伐，著眼于建筑材料、保溫材料、墻骨柱間距、墻面縫隙等對(duì)墻體保溫效果的影響，尤其是國外學(xué)者在不斷更迭墻體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上建立了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的理念，為墻體保溫性能的數(shù)據(jù)輸出建立了更為權(quán)威性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，值得借鑒。這不僅事關(guān)為用戶提供一個(gè)舒適健康及可持續(xù)的輕型木結(jié)構(gòu)住房環(huán)境，而且將對(duì)提高熱力學(xué)等理論成果在我國輕型木結(jié)構(gòu)建筑的工程應(yīng)用能力。

為進(jìn)一步做好我國木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)工作。1）理論計(jì)算墻體傳熱系數(shù)，熱惰性、蓄熱系數(shù)、衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間、建筑窗墻比、有效傳熱系數(shù)等參數(shù)；測(cè)試建筑外墻構(gòu)件材料的基本參數(shù)（厚度、密度）；熱物性參數(shù)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、與溫度相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)）；濕物性參數(shù)（不同相對(duì)濕度下的水分儲(chǔ)存含量、濕度相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)、與含水率相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)等），為模擬分析提供有效的材性數(shù)據(jù)支撐。2）開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量木結(jié)構(gòu)建筑墻體在不同時(shí)期的傳熱系數(shù)，探索其不同時(shí)間段傳熱系數(shù)測(cè)定值與理論值的差異，并分析不同墻體結(jié)構(gòu)下木結(jié)構(gòu)建筑墻體保溫性能。3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)木結(jié)構(gòu)建筑外墻溫度、濕度及含水率的變化，分析其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，為木結(jié)構(gòu)建筑熱濕耦合提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。4）利用WUFI 6.0軟件等模擬不同時(shí)期木結(jié)構(gòu)建筑墻體的熱濕耦合情況，包括設(shè)定模型，輸入材性數(shù)據(jù)，輸入已查閱整理建立的當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽隁庀髷?shù)據(jù)，設(shè)置邊界條件等。根據(jù)模擬結(jié)果，并對(duì)比木結(jié)構(gòu)建筑保溫與熱濕實(shí)測(cè)值，以實(shí)現(xiàn)WUFI軟件準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體傳熱系數(shù)，溫度、濕度和含水率等參數(shù)的未來變化趨勢(shì)目標(biāo)。

總之，木結(jié)構(gòu)建筑外圍護(hù)墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)工作尤為重要，必須按照建筑物理學(xué)客觀需要，著眼于木結(jié)構(gòu)建筑墻體的保溫及木結(jié)構(gòu)建筑熱濕耦合傳遞機(jī)理等前期設(shè)計(jì)，做好木結(jié)構(gòu)建筑墻體熱工性能的耐久性與舒適度預(yù)測(cè)工作，以促進(jìn)中國木結(jié)構(gòu)建筑事業(yè)健康、快速地發(fā)展。