饒 鑫 楊 靜 黃俁劼 王 正 曹 瑜

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)建筑因其節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展，近年來得到大眾的認(rèn)可和政府的大力推廣[1-2]。外墻作為建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有效改善其保溫技術(shù)，是提高建筑整體節(jié)能減排的關(guān)鍵[3]。同時，合理調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)溫濕度變化是提高居住舒適性的關(guān)鍵[4-5]。目前，研究學(xué)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(jié)構(gòu)方面著手，研究了不同材料、墻體結(jié)構(gòu)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(fēng)險研究表明，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中既要注重其保溫技術(shù)設(shè)計，還要重視其濕熱技術(shù)設(shè)計。Wang 等[8]開展對輕型框架建筑中竹木基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)（λ）和傳熱系數(shù)研究，得出工程竹木復(fù)合材料的保溫隔熱性能較低的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，部分研究學(xué)者還建立了建筑墻體熱濕長期監(jiān)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(jié)構(gòu)材料的水分含量以及木框架墻體的濕度變化進(jìn)行了長期監(jiān)測研究工作，得出在高度隔熱的墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)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(jié)的熱濕響應(yīng)情況，通過在不同季節(jié)氣候條件下應(yīng)用不同的蒸汽屏障材料進(jìn)行研究表明，因冬季相對濕度（RH）偏高，使其霉菌生長指數(shù)偏大；數(shù)值模擬技術(shù)有助于應(yīng)用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)用有外隔熱層設(shè)計的歐洲墻體具有更好的保溫性能與水分調(diào)節(jié)性能。Chang 等[15]通過瞬態(tài)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(jié)構(gòu)的熱濕性能，確定其各種建筑材料的含水量、墻體結(jié)構(gòu)的濕熱行為、冷凝風(fēng)險和霉菌生長潛力。

由于中國的各地氣候復(fù)雜多樣，加之輕型木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展仍處于起步階段，因此對我國輕型木結(jié)構(gòu)建筑在不同氣候條件下的濕熱性能進(jìn)行研究并科學(xué)預(yù)測尤為重要，對其進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有參考價值。目前，國內(nèi)對木框架結(jié)構(gòu)建筑的墻體的濕熱試驗研究工作仍局限于實驗室法，在現(xiàn)場檢測方面較少；在輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻的材料應(yīng)用與結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，對外保溫覆面層的保溫研究工作薄弱；缺乏系統(tǒng)地對建筑材料熱物性和熱濕性參數(shù)測試等基礎(chǔ)研究、現(xiàn)場熱工性能測試與模擬預(yù)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(jié)構(gòu)建筑外墻的熱濕傳遞過程進(jìn)行理論和試驗研究，通過WUFI 模擬預(yù)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(diào)節(jié)優(yōu)化設(shè)計方案。其創(chuàng)新之處在于首先對建筑材料進(jìn)行參數(shù)研究，進(jìn)而研究建筑結(jié)構(gòu)的熱濕耦合作用及溫濕度調(diào)節(jié)作用。在輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，應(yīng)用綠色、環(huán)保、可再生材料?葡萄牙軟木作為外保溫結(jié)構(gòu)。木材作為輕型木結(jié)構(gòu)建筑主要建筑用材，其在濕度大的環(huán)境中易發(fā)霉腐朽。因此，本研究針對輕型木結(jié)構(gòu)建筑2 組外墻結(jié)構(gòu)，一方面，現(xiàn)場實測其傳熱系數(shù)，系統(tǒng)地研究建筑外墻的熱工性能；另一方面，通過WUFI 模擬預(yù)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(chǔ)上，深入分析建筑外墻結(jié)構(gòu)凝結(jié)風(fēng)險、室內(nèi)霉菌風(fēng)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(fā)揮其建筑自身優(yōu)勢，對墻體節(jié)能優(yōu)化設(shè)計工作有至關(guān)重要的作用，為住戶提供舒適、健康的居住環(huán)境，以期對輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)建筑外墻體為對象，其地處夏熱冬冷地區(qū)的南京市，建筑外墻結(jié)構(gòu)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(xiàn)場見圖1。

圖1 2 幢輕型木結(jié)構(gòu)建筑Fig.1 Two timber-framed structure buildings

輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻結(jié)構(gòu)組成見圖2，建筑室內(nèi)側(cè)至室外側(cè)，依次由12 mm OSB 面板、38 mm×89 mm SPF 墻骨柱（內(nèi)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(cè)覆面結(jié)構(gòu)不同，即建筑A 的外墻保溫層由40 mm 葡萄牙軟木構(gòu)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(gòu)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(biāo)卡尺（0.02 mm）對墻體材料進(jìn)行測算，得到材料基本參數(shù)見表1，其中，a 規(guī)格試材用于熱物參數(shù)試驗，b、c、d 規(guī)格試材用于熱濕參數(shù)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(jié)構(gòu)建筑外墻結(jié)構(gòu)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(tài)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(shù)測試方法 根據(jù)ISO 8302—1991[16]，對表1 中a 規(guī)格材料進(jìn)行熱物性參數(shù)測試。根據(jù)GB/T 20312—2006[17]和GB/T 20313—2006[18]，測試材料濕熱性能，采用動態(tài)恒溫恒濕箱進(jìn)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(dǎo)熱儀進(jìn)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(shù)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(jìn)行現(xiàn)場熱工性能測試，根據(jù)GB/T 34342—2017[19]和JGJ/T 132—2009[20]，調(diào)節(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面溫度差>10 ℃，且在測試中均大于低溫側(cè)表面溫度。根據(jù)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(nèi)外表面溫度，得其熱阻和傳熱系數(shù)。其測試原理見圖3，測試現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的熱濕非穩(wěn)態(tài)計算

本研究采用WUFI Pro Version 6.1 軟件[22-23]建立A、B 幢木結(jié)構(gòu)建筑外墻熱濕非穩(wěn)態(tài)模型，其熱濕模擬流程見圖5，以預(yù)測試驗外墻體系統(tǒng)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(wěn)態(tài)模型設(shè)置

確定2 幢輕型木結(jié)構(gòu)建筑4 種常規(guī)類型墻體結(jié)構(gòu)，A 幢建筑分為軟木?SPF（a 墻體）和軟木?保溫棉（b 墻體）結(jié)構(gòu)，B 幢建筑分為防腐木?SPF（c 墻體）和防腐木?保溫棉（d 墻體）結(jié)構(gòu)，其建立外墻熱濕非穩(wěn)態(tài)模型的主要步驟為：首先，輸入各層建筑材料基本參數(shù)、熱物性參數(shù)及濕物性參數(shù)；再細(xì)分計算網(wǎng)格。

1.2.2 計算設(shè)置

鑒于本建筑受太陽輻射與降雨影響，設(shè)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(shè)置

在建立外墻熱濕非穩(wěn)態(tài)模型后，對室內(nèi)外邊界條件進(jìn)行設(shè)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(guī)定左側(cè)、右側(cè)分別代表墻體外、內(nèi)表面（如圖6）。其邊界條件數(shù)據(jù)來自于南京市2017 年氣象資料，主要包括：大氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、年降雨量、輻射總量和凈輻射量。室內(nèi)（右側(cè)）邊界條件經(jīng)室外（左側(cè)）邊界條件輸入后生成得到[24]。

圖6 輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體的模型圖Fig.6 Model drawing of timber-framed structure building wall

2 結(jié)果與分析

2.1 熱物性參數(shù)結(jié)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(shù)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(shù)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(wěn)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(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)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(jīng)過特殊處理，材料細(xì)胞間隙減小，導(dǎo)致其λ 大。

2.2 熱濕性參數(shù)結(jié)果與分析

2.2.1 與濕度相關(guān)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(dāng)濕度為80%～90%時，其吸濕量猛增，其原因是SPF 規(guī)格材在濕度不同的環(huán)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(yīng)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(dāng)木材達(dá)到其纖維飽和點后，其細(xì)胞腔與其間隙中產(chǎn)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(guān)的材料導(dǎo)熱系數(shù)

材料λ 現(xiàn)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(guān)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(guān)。其原因是隨著材料內(nèi)部分子的熱量驟增，易使材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和輻射作用增強。

表4 各材料溫度相關(guān)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(guān)的材料導(dǎo)熱系數(shù)

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)果相近，且相對誤差在10%內(nèi)，即可有效利用WUFI 模擬預(yù)測建筑外墻體的保溫特性。A 幢建筑外墻體的傳熱系數(shù)小于B 幢建筑外墻體，即A 幢建筑的整體保溫性能優(yōu)于B 幢建筑。b 墻體、d 墻體的傳熱系數(shù)值小于a 墻體、c 墻體，表明該建筑外墻體內(nèi)置保溫棉材料的保溫性能優(yōu)于內(nèi)置SPF 材料。

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

根據(jù)復(fù)合墻體的實際傳熱計算，得到A、B 型木結(jié)構(gòu)建筑的外墻傳熱系數(shù)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(shù)均小于0.4 W/(m2·K)，本研究中的A、B 幢建筑均適用于嚴(yán)寒地區(qū)。

2.3.2 居住舒適度分析

根據(jù)生理學(xué)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(nèi)溫濕度，在此范圍內(nèi)感到舒適的人群占95%以上。室內(nèi)溫度過高人體感受過熱，尤其是冬季室內(nèi)溫度若保持在23 ℃以上，則會疲倦、眩暈。室內(nèi)溫度過低人體感受過冷，尤其是夏季室內(nèi)溫度若保持在22 ℃以下，則會腰酸背痛、疲倦無力。在注意室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的同時，還應(yīng)注意室內(nèi)濕度。夏季，當(dāng)室內(nèi)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(nèi)濕度大時，會使人感到寒冷、抑郁和易患感冒。

實測結(jié)果得知，A 幢建筑1—3 月室內(nèi)溫濕度平均為7.5 ℃、61.4%，B 幢建筑1—3 月室內(nèi)溫濕度平均為7.4 ℃、69.1%；模擬結(jié)果得知，A 幢建筑全年室內(nèi)溫濕度平均為22.6 ℃、54.92%，B幢建筑全年室內(nèi)溫濕度平均為22.09 ℃、56.13%；這表明，室內(nèi)開空調(diào)的情況下，1 年中A、B 幢木結(jié)構(gòu)建筑溫度及冬季濕度均在適宜區(qū)間內(nèi)，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(qū)，故夏季，該輕型木結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)濕度水平較高，應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)除濕處理。

2.3.3 凝結(jié)風(fēng)險分析

為了避免木結(jié)構(gòu)建筑墻體冷凝現(xiàn)象的產(chǎn)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(jié)構(gòu)的全年室內(nèi)溫度均大于最高露點溫度18 ℃，故不易發(fā)生冷凝，該建筑針對南京氣候環(huán)境是很適合的。

圖9 墻體凝結(jié)風(fēng)險分析Fig.9 Risk analysis of wall condensation

2.3.4 室內(nèi)霉菌風(fēng)險分析

霉菌的生命活動與溫度、濕度、營養(yǎng)物質(zhì)、材料多孔性、酸堿度等因素密切相關(guān)。在一定的熱濕條件下居住建筑結(jié)構(gòu)中某些區(qū)域易滋生霉菌，在RH 為90%～100%時，最易滋生霉菌，國際能源機構(gòu)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(jìn)行室內(nèi)霉菌風(fēng)險模擬分析，其臨界水分含量與孢子內(nèi)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(nèi)墻面在2017—2018 年預(yù)測期內(nèi)不易產(chǎn)生霉菌現(xiàn)象。由于預(yù)設(shè)安裝了空調(diào)的緣故，墻體臨界的水分含量均波動較小，且墻體的孢子內(nèi)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(nèi)水分含量圖Fig.10 Diagram of the critical water content and the water content in the spore

3 結(jié)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(nèi)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(jié)果相近，可有效利用WUFI 模擬預(yù)測建筑墻體的保溫特性。2 幢輕型木結(jié)構(gòu)建筑均適用于嚴(yán)寒地區(qū)，A 幢建筑的整體保溫性能優(yōu)于B 幢建筑，且合理優(yōu)化設(shè)計建筑墻體結(jié)構(gòu)是建筑墻體保溫的關(guān)鍵。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的溫濕度調(diào)節(jié)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(nèi)濕度變化較A 幢建筑穩(wěn)定。

A、B 幢建筑的全年溫度和濕度均在適宜區(qū)內(nèi)。一年中，4 種輕型木結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)冷凝結(jié)果不易發(fā)生；其4 種墻體室內(nèi)墻面霉菌孢子出現(xiàn)概率較低，不易產(chǎn)生霉菌。