多层建筑墙体界面结露特性及其影响因素分析

康嘉伦，李 威

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

1 引言

在我国能源消耗中，建筑能耗约占20%[1]。随着建筑节能和建筑可持续发展理念的不断深化推广，建筑围护结构冷凝结露的问题更加凸显出来，对建筑墙体构造界面结露防治的研究显得极为重要[2]，其研究意义主要体现在保证墙体材料保温性能，减小建筑能耗、保护墙体材料结构强度，延长使用寿命、维持室内美观，营造舒适卫生环境等方面。建筑墙体构造界面结露防治研究的实质内容是通过理论分析与实验测试相结合的方法，探讨墙体结露机理，并得出行之有效的防治结露的措施。对围护结构的热湿传递过程的研究是建筑采暖空调系统设计的基础，也是建筑能耗分析的依据[3]。

Aelenei[4]通过分析墙体外表面的结露问题发现，室内外空气的含湿量与外墙表面的空气能量平衡是导致建筑外墙表面冷凝结露的主要原因。许利军研究团队提出室内湿度、室内外温差是建筑外墙内表面产生结露的主要影响因素[5]。

胡思科等人通过对不同外围护结构以及具有聚苯板外保温围护结构墙体进行热工计算分析发现，对于不同的建筑外墙围护结构，其冬季室外计算温度和室外极限温度下对应的室内不结露相对湿度的上限值都将随室内温度的升高而降低，同时还将随室外温度的升高而升高[6]。宋春江分析了发生于居民住宅以及学校建筑的结露问题，指出墙体构造不合理导致热桥过多和热桥热阻过小的情况，使对应墙体部位导热量大大增加，内表面温度也较其它墙表面大大降低，当小于空气露点温度时将引起结露[7]。即使有保温层的存在，建筑墙体依旧存在冷凝结露的风险[8]，因此对多层墙体的结构进行合理布置尤为重要。

2 模型的建立

为研究新型建筑墙体在寒冷地区构造界面冬季的冷凝结露情况，选取“雄安新区”作为试验研究地点。结合《民用建筑热工设计规范》GB 50176-2016规定[9]，选取相应合理的热工计算参数，利用CFD软件进行数值计算，所得的墙体构造界面温度值θm，查出与其相应的饱和水蒸气分压力值Pmb，与实际水蒸气压力Pm比较，即可判定各层材料界面的结露情况。Pm>Pmb时结露开始发生，Pm

2.1 物理模型

建立如图1所示的多层墙体一维物理模型。为便于数值计算，现做如下假设[10]：建筑材料为均匀各相同性的连续多孔介质，多孔介质内部局部热湿平衡；多层墙体交界面处于湿平衡状态；多孔介质材料内部的湿组分只有气液两相，气相按理想气体处理，气相、液相的流动过程满足Darcy定律。

图1 墙体模型Fig.1 model of wall

墙体结构最内层1和最外层4为水泥砂浆或石灰水泥砂浆，中间层2为混凝土，3为绝热层。根据保温层两侧边界的蒸汽渗透性能，可以将保温层边界分为三类：封闭型、半封闭型、开放型，其中封闭型为保温层两侧边界都不透气，开放型为两侧边界都透气，半封闭型为保温层的一侧边界透气或空气不能穿透保温层，其中，半封闭型又可以细分为向内封闭型和向外封闭型两种[11]。为了优选出最佳的墙体组构顺序，在墙体外保温形式下，对封闭型墙体结构、向内半封闭型墙体结构、向外半封闭型墙体结构、开放型墙体结构四种不同保温层边界结构墙体进行数值计算。四种不同保温层边界结构墙体模型的热工参数如表1所示。

为了方便计算判定墙体的冷凝结露情况，对封闭型、向内半封闭型、向外半封闭型、开放型墙体结构进行界面编号。墙体内表面、内表面抹灰层与墙体基层材料界面、墙体基层材料与保温层材料界面、保温层材料与外表面抹灰层界面、墙体外表面分别编号为A、B、C、D、E。

2.2 控制方程

根据质量守恒定理，湿传递方程为：

(1)

式中：w为材料的含湿量，g/kg；g为水分传递率，kg/(m2·s)。

表1 四种不同保温层边界结构墙体模型的热工参数

Tab.1 Thermal Parameters of Four Different Wall Models with Thermal Insulation Boundary Structure

组构类型序号墙体材料厚度δ(mm)导热系数λ[W/(m·K)]蒸汽渗透系数D(×10-4)[g/(m·h·Pa)]封闭型1水泥砂浆200.930.2102钢筋混凝土2001.740.1583聚氨酯硬泡沫塑料800.0240.2344水泥砂浆400.930.210半封闭型(向内封闭)1水泥砂浆200.930.2102钢筋混凝土2001.740.1583聚氨酯硬泡沫塑料800.0240.2344石灰水泥砂浆200.870.975半封闭型(向外封闭)1石灰水泥砂浆200.870.9752加气混凝土1500.180.9983聚氨酯硬泡沫塑料800.0240.2344水泥砂浆400.930.210开放性1石灰水泥砂浆200.870.9752加气混凝土1500.180.9983聚氨酯硬泡沫塑料800.0240.2344石灰水泥砂浆200.870.975

w与相对湿度又有如下关系：

(2)

式中，φ为空气相对湿度，%；ξ为材料等温吸放湿曲线的斜率[12]。

墙体内部水分的传递分为液态水传递和水蒸汽传递：

g=gl+gv

(3)

式中，gl和gv分别表示液态水传递率、水蒸气传递率，kg/(m2·s)。

由Fick定律可知：

gv=-Dc▽Pv

(4)

式中，Dv为水蒸气扩散系数，m2/s；Pv为水蒸气分压力，Pa。

gl可以根据达西定律表示为：

gl=-Dl▽Psuc

(5)

式中，Dl为液态水扩散系数，m2/s；Psuc为毛细压力，Pa。

对于空气，质量守恒方程为：

(6)

式中，ga为空气传递率，kg/(m2·s)；wa为墙体内部空气含量，kg/m2。

在建筑工程中，空气被视为是不可压缩气体，低速流动不会引起墙体内部相对湿度以及温度太大的变化，因此墙体内部空气质量平衡方程可以简化为[13，14]：▽·ga=0。

围护结构一般可视为一维传递，传热过程中主要以导热和对流换热过程为主，其方程分别为：

qcond=-λ·▽T，qcond=h(T∞-T)

(7)

式中，T∞表示离壁面无穷远处气体的主流温度，此处为室内或室外温度，K；T为壁面温度，K；λ为材料的有效导热系数，w/m·k。

热湿耦合作用下能量传递方程为：

(8)

其中，ρm为材料的密度，kg/m3；R为理想气体系数，J/(mol·K)；ρa为空气密度，kg/m3；Ma为空气摩尔质量，g/mol；Mv为水分子摩尔质量，g/mol；γ为相变潜热，J；Cm为材料比热，J/(kg·K)；λ为材料的有效导热系数，w/m·k。

2.3 初始及边界条件

室内外相对湿度：

φi=60%，φo=53%

(9)

室内外温度：

Ti=18℃，To=-6℃

(10)

流体初始速度：

u=0

(11)

2.4 模型的求解

对建立的物理模型进行网格划分，由于几何模型较简单，网格由软件默认的自动网格划分生成。由上述分析可知该反应为多物理场耦合的过程，过程中流体的流动、热湿传递等过程相互耦合，利用软件COMSOL Multiphysics可对多个物理过程进行无缝衔接。通过有限元的方法对模型进行计算和分析。计算过程中设置360s为一次迭代步长，总时长为86400s。

3 结果与讨论

3.1 不同保温层边界结构墙体模型结露特性分析

通过对上述四种不同保温层边界结构墙体模型的热湿耦合计算，得出不同界面处的温度和水蒸气含量。以封闭型墙体结构为例，其计算结果如表2所示：

表2 封闭型墙体结构内部水蒸气分压力计算表

Tab.2 Calculation Table of Steam Partial Pressure in Closed Wall Structure

项目界面A界面B界面C界面D界面E界面温度tm(℃)17.317.216.4-4.6-6.1饱和水蒸气分压力Pmb(Pa)1975.11962.41865415.4365水蒸气分压力Pm(Pa)1238.41185.6483.8294.3188.7压力差Pmb-Pm(Pa)736.7776.81381.2121.1176.3

根据计算结果，分别绘制封闭型、向内半封闭型、向外半封闭型、开放型墙体结构的Pmb、Pm分布曲线图。

图2 不同类型墙体的Pmb和Pm分布Fig.2 Distribution ofPmb and Pm of different type walls

图3 预制夹芯保温墙体模型Fig.3 Model of prefabricated sandwich-insulation wall

由图2可见，四种不同保温层边界结构墙体中，向外半封闭型墙体结构其内部发生冷凝结露现象，其余三种均未发生冷凝结露现象。四种不同保温层边界结构墙体的Pmb和Pm分布曲线均具有以下规律：在保温层与外表面抹灰层之间的界面4附近，Pmb、Pm曲线相距最近，发生冷凝结露一般出现在此区域。故按照冷凝结露发生可能性排序，水蒸气易进难出的向外半封闭型墙体结构内部最容易发生冷凝结露，其次是封闭型墙体结构，再次是开放型墙体结构，向内半封闭型墙体结构结露可能性最小。因此在复合保温外墙的实际工程设计中，应将蒸气渗透系数小的密实材料设置在保温材料水蒸气分压力较大的室内高温一侧，而将蒸气渗透系数大的疏松材料设置在水蒸气分压力相对较小的室外低温一侧，以防止冷凝结露现象的发生。

3.2 预制夹芯保温墙体的结露特性分析

在很多建筑围护工程中，为了减少墙体的层数并增大保温效果，通常会采用预制混凝土夹芯保温外墙板，即将内外两层钢筋混凝土墙板和夹在其间的保温材料通过专用连接件组成的具有特定保温性能要求的外墙板。在具有绿色环保的优点的同时，能够保证建筑外墙的保温节能要求，实现环保节能的双重目的。然而，在研究预制混凝土夹芯保温外墙板环保节能的同时，墙体内部冷凝的问题也不容忽视[15，16]。其结构如图3所示。通过建立四种不同保温材料的预制混凝土夹芯保温外墙板模型，计算分析其内部的水蒸气分压力分布情况，判定其墙体内部的冷凝结露状况，优选出适用于“雄安新区”防结露效果最好的保温墙体。

四种预制混凝土夹芯保温外墙板模型的热工参数如表3，各墙体模型平均传热系数均能满足现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015，关于外墙平均传热系数的最低节能要求，即在寒冷地区，控制外墙平均传热系数≤0.5W/(m2·K)，达到建筑65%节能对传热系数的要求[17]。

同样对墙体内表面、内表面抹灰层与墙体基层材料界面、墙体基层材料与外表面抹灰层界面、墙体外表面分别编号为A、B、C、D。通过对上述四种预制混凝土夹芯保温外墙板模型的热湿耦合计算，相应得出不同界面处的温度和水蒸气含量。以XPS保温板夹芯墙体结构为例，其计算结果如表4所示。

相应地，根据计算结果，分别绘制XPS、EPS、PF、PUR保温板夹芯墙体的Pmb、Pm分布图。

图4 不同类型夹芯保温板墙体的Pmb和Pm分布Fig.4 Distribution ofPmb and Pmof different walls with sandwich-insulation board

对比发现，四种不同类型夹芯保温墙体的Pmb、Pm曲线分布具有相似性，都具有以下规律：在界面2和界面3之间的保温层内部，Pmb、Pm曲线将会相交，开始发生冷凝结露现象，此后一直保持PmbPm，不再发生冷凝结露现象。通过对图中冷凝区域的分析，可初步判断，PUR保温板夹芯墙体的冷凝强度最大，PF保温板夹芯墙体的冷凝强度次之，EPS保温板夹芯墙体冷凝强度再次之，XPS保温板夹芯墙体冷凝强度最小。故按照保温性能排序，XPS保温板夹芯墙体>EPS保温板夹芯墙体>PF保温板夹芯墙体>PUR保温板夹芯墙体。

表3 四种预制混凝土夹芯保温外墙板模型的热工参数

Tab.3 Thermal parameters of four kinds of precast concrete sandwich panel model

墙体类型序号墙体材料厚度δ(mm)导热系数λ[W/(m·K)]蒸汽渗透系数D(×10-4)[g/(m·h·Pa)]XPS保温板夹芯墙体1钢筋混凝土601.740.1582XPS板520.0320.1263钢筋混凝土601.740.158EPS保温板夹芯墙体1钢筋混凝土601.740.1582EPS板640.0410.1623钢筋混凝土601.740.158PF保温板夹芯墙体1钢筋混凝土601.740.1582PF板580.0340.3063钢筋混凝土601.740.158PUR保温板夹芯墙体1钢筋混凝土601.740.1582PUR板390.0240.2343钢筋混凝土601.740.158

表4 XPS保温板夹芯墙体内部水蒸气分压力计算表

Tab.4 Internal water vapor pressure calculation table of XPS sandwich-insulation wall

项目界面A界面B界面C界面D界面温度tm(℃)16.816.1-5.3-5.9饱和水蒸气分压力Pmb(Pa)1913.01829.0391.1371.3水蒸气分压力Pm(Pa)1238.4857.0570.1188.7压力差Pmb-Pm(Pa)674.6972.0-179182.6

根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016的规定，当围护结构出现冷凝结露现象时，应对冷凝界面进行内部冷凝受潮验算。数值计算四种不同类型夹芯保温墙体冷凝界面内侧所需的蒸汽渗透阻如表5所示。

表5 墙体结露界面内侧所需的蒸汽渗透阻和实际渗透组

Fig.5 The required and actual steam permeability resistance for dew condensation interface wall

项目XPS保温板夹芯墙体EPS保温板夹芯墙体PF保温板夹芯墙体PUR保温板夹芯墙体冷凝界面内侧所需的蒸汽渗透阻(m2·h·Pa/g)8030.67507.45090.99724.9冷凝界面内侧实际的蒸汽渗透阻(m2·h·Pa/g)11091.111082.28420.68252.6

由表可见，XPS、EPS、PF保温板夹芯墙体冷凝验算均符合标准规定，在“雄安新区”使用是安全的，PUR保温板夹芯墙体冷凝界面内侧实际的蒸汽渗透阻不满足所需值，因此不符合标准规定，若要在“雄安新区”使用，需要调整墙体构造厚度等参数，并做进一步冷凝计算分析。

4 结论

本文选用极具时代发展特性的“雄安新区”作为试验研究地点，从建筑墙体组构顺序的角度研究了其与墙体结露的内在关系，通过比较分析，优选出符合地域气候特征，防结露效果最好的外墙防结露构造体系。并对极具发展前景的几种预制混凝土夹芯保温墙体进行结露分析，为“雄安新区”建筑外墙构造选择提供参考依据。

对于封闭型墙体，其水蒸气渗透特点是“难进难出”，水分不能及时排出，很容易形成水蒸气的内部积累，从而改变保温层热工参数，保温性能变差。对于向内半封闭型墙体，其水蒸气渗透特点是“难进易出”，内侧水蒸气进不去，内部水蒸气能够及时排出，一般不会结露。对于向外半封闭型墙体，其水蒸气渗透特点是“易进难出”，水蒸气很容易聚集在其内部，极易诱发结露现象的产生。对于开放型墙体，其水蒸气渗透特点是“易进易出”，只要达到保温要求，一般不会发生结露。所以在实际工程设计中，应该优先选择向内半封闭型墙体保温结构，以达到防止墙体冷凝结露的目的。四种不同保温层边界结构墙体在水蒸气渗透特点上具有很大的差异，但其内部最可能发生冷凝结露的部位具有相同的特点，最可能发生冷凝结露的区域均出现在保温层材料外侧附近。所以在实际工程设计中，应着重研究分析保温层材料外侧界面的冷凝结露情况。

预制钢筋混凝土夹芯保温外墙使用XPS保温板保温防结露效果最佳，EPS保温板次之，再次是PF保温板，PUR保温板效果最差，且需做进一步冷凝计算分析。四种预制混凝土夹芯保温外墙板模型是在满足最大允许传热系数临界值条件下建立的，其内部均发生结露现象表明，满足最大允许传热系数的墙体结构仍然存在结露的可能，因此在实际工程设计中，对墙体进行冷凝结露验算是十分必要的。