聚氨酯硬泡復(fù)合墻體傳濕過程及結(jié)露分析

李文杰，趙樹興

(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384)

聚氨酯硬泡復(fù)合墻體傳濕過程及結(jié)露分析

李文杰，趙樹興

(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384)

目前，聚氨酯材料因其優(yōu)異的保溫特性在建筑外保溫中得到了廣泛的應(yīng)用．由于該材料蒸汽滲透率和吸水率較低，所以大多不另設(shè)防潮隔氣層．但在實(shí)際中，如果室內(nèi)濕度較高，由于墻體其他材料的傳濕特性不同，有可能出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象．筆者針對(duì)寒冷地區(qū)聚氨酯硬泡復(fù)合墻體在不同室內(nèi)溫、濕度情況下的傳濕特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并指出了設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題．

復(fù)合墻體；聚氨酯；傳濕；結(jié)露；建筑節(jié)能

隨著我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的墻體保溫材料在某些方面已經(jīng)逐步顯露出了一些弊端．聚氨酯硬泡塑料作為一種新型的墻體保溫材料，由于其具有保溫效果好、施工安全便捷、密度小、抗老化等特點(diǎn)，逐漸受到廣大用戶的青睞，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]．

聚氨酯硬泡塑料閉孔率在 95%以上，屬于憎水材料．根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于建筑墻體中的聚酯氨硬泡塑料要求吸水率低于4%．因此，大多數(shù)研究認(rèn)為，聚氨酯墻體具有良好的防水防潮性能[2]．

但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于建筑內(nèi)外環(huán)境的傳濕、傳熱過程而言，墻體是一個(gè)整體，以聚氨酯替代傳統(tǒng)保溫材料，會(huì)使得其他材料層的傳熱、傳濕過程發(fā)生一定的變化．為此，筆者對(duì)氨酯硬泡復(fù)合墻體進(jìn)行了計(jì)算分析和探討．

1 濕傳遞過程基本原理及數(shù)學(xué)模型

在建筑熱工中，把沒有溫差條件下的水分遷移過程，稱為濕傳導(dǎo)；而有溫差的水分遷移過程稱為熱濕傳導(dǎo)．在熱濕傳導(dǎo)中，需要考慮的因素較多．目前，所采取的計(jì)算方法基于以下幾種：①不考慮室內(nèi)外水蒸氣分壓力隨時(shí)間的變化，將傳濕過程視為穩(wěn)態(tài)；②不考慮材料沿由外到內(nèi)方向外其他方向上的不均勻；③不考慮各材料層沿由內(nèi)到外方向上由于溫度變化而引起的物性變化；④不考慮水蒸氣分子與材料之間發(fā)生的反應(yīng)[3]．

在以上假設(shè)前提下，純蒸汽滲透過程與熱傳導(dǎo)過程類似，通過維護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透強(qiáng)度，與室內(nèi)外的水蒸氣分壓力成正比，與材料層蒸汽滲透阻成反比[3]，其表達(dá)式為

對(duì)于蒸汽滲透阻而言，總蒸汽滲透阻由下式求得

根據(jù)以上兩個(gè)公式，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出，材料層各個(gè)界面上的水蒸氣分壓力，其表達(dá)式為

式中：mP為第m層材料界面處的水蒸氣分壓力，aP．

在已判斷出有冷凝產(chǎn)生的情況下，計(jì)算材料層濕度增量的公式為

式中：Δω為材料的濕度增量，%；PA為分壓力較高一側(cè)的水蒸氣分壓力，Pa；PB為分壓力較低一側(cè)的水蒸氣分壓力，Pa；Psc為冷凝界面處的飽和水蒸氣分壓力，Pa；H0,i為冷凝界面蒸汽流入側(cè)的蒸汽滲透阻，m2?h? Pa/ g；H0,e為冷凝界面蒸汽流出側(cè)的蒸汽滲透阻，m2?h? Pa/g；Zh為當(dāng)?shù)夭膳鞌?shù)，d；d為材料厚度，m；ρ為材料密度，k g /m3．

2 聚氨酯硬泡復(fù)合墻體傳濕過程分析

2.1 保溫復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

筆者采用 40,mm厚聚氨酯硬泡保溫層的240,mm 厚磚墻[4]，針對(duì)外保溫和內(nèi)保溫兩種情況進(jìn)行了分析．外保溫復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)保溫復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)如圖2所示．各層材料熱、濕參數(shù)見表1．

圖1 外保溫墻體材料層示意

圖2 內(nèi)保溫墻體材料層

表1 墻體各層材料及熱濕參數(shù)

2.2 平均溫、濕度情況下的傳濕過程計(jì)算分析

筆者所研究的保溫復(fù)合墻體位于寒冷地區(qū)，供暖期平均室外溫度為零下0.9,℃，濕度為 53%；室內(nèi)溫度為 18,℃，濕度為 60%[5]．

根據(jù)公式(4)，結(jié)合水蒸氣圖表，可以計(jì)算各個(gè)界面上的水蒸氣分壓力及溫度[6]，計(jì)算結(jié)果見表 2和表 3．

表2 外保溫結(jié)構(gòu)墻體各界面處溫度及水蒸氣分壓力

表3 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)墻體各界面處溫度及水蒸氣分壓力

建筑防潮計(jì)算中的冷凝界面一般處于材料層的蒸汽滲透系數(shù)由大變小處[3]．在所計(jì)算的實(shí)例中，當(dāng)采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，2-3界面處水蒸氣分壓力大于該溫度下的飽和水蒸氣分壓力，即冷凝界面是聚氨酯硬泡塑料和磚墻之間的界面．雖然聚氨酯蒸汽滲透系數(shù)小于磚墻的蒸汽滲透系數(shù)，但其熱阻太大，導(dǎo)致溫度降幅增大，飽和水蒸氣壓力大幅降低，最終出現(xiàn)了冷凝．

外保溫結(jié)構(gòu)中，在上述計(jì)算條件下沒有界面發(fā)生冷凝．其中最可能發(fā)生冷凝的界面為3-4界面．雖然外保溫結(jié)構(gòu)中難以發(fā)生冷凝，但如果一旦發(fā)生，冷凝界面為聚氨酯硬泡保溫層與外水泥砂漿之間的界面，該界面溫度低于0,℃時(shí)，即發(fā)生結(jié)冰，對(duì)墻體結(jié)構(gòu)危害較大．

在寒冷地區(qū)的實(shí)際供暖運(yùn)行中，房間溫度往往高于 18,℃，而濕度往往低于 60%[7-8]．為了獲得更多對(duì)比數(shù)據(jù)，現(xiàn)選取溫度分別為 18,℃，20,℃，22,℃，濕度分別為 40%，50%，60%．對(duì)冷凝界面的熱濕參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)算．

2.3 外保溫結(jié)構(gòu)墻體冷凝界面計(jì)算及分析

計(jì)算外保溫結(jié)構(gòu)在不同室內(nèi)溫、濕度下的熱濕參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4．

表4 外保溫墻體冷凝界面在不同室溫和濕度下的熱濕參數(shù)

由表4可知，外保溫結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象．但是，如果保溫層外的外飾面蒸汽滲透阻過大，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰．現(xiàn)假設(shè)外飾面熱阻可忽略，推算不出現(xiàn)結(jié)冰的外飾面臨界蒸汽滲透阻，其計(jì)算結(jié)果如表5所示．

2.4 內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)墻體冷凝界面計(jì)算及分析

計(jì)算內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，對(duì)于有冷凝產(chǎn)生的情況，根據(jù)公式(5)計(jì)算采暖期總的材料濕度增量，計(jì)算結(jié)果見表 6．

對(duì)于塑料保溫層，一般供暖季總濕度增量應(yīng)小于15%[3]．由于供暖季總濕度增量是長時(shí)間平均值，因此，取溫度為供暖期平均室外溫度零下 0.9,℃，濕度為供暖期平均室外濕度，其值為 53%．以此推算室內(nèi)不同溫度下的濕度臨界值，其計(jì)算結(jié)果見表7．

表 5 不同室內(nèi)溫濕度下不出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象的外飾面臨界蒸汽滲透阻

表6 內(nèi)保溫墻體冷凝界面在不同室溫和濕度下的熱濕參數(shù)

表 7 不同室內(nèi)溫度下滿足材料層濕度增量要求的臨界相對(duì)濕度

3 結(jié) 論

(1) 在所選取的保溫墻體結(jié)構(gòu)中和室內(nèi)外熱濕條件下，對(duì)于外保溫結(jié)構(gòu)，冷凝界面為聚氨酯硬泡外保溫層與外水泥砂漿之間的界面；對(duì)于內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，冷凝界面為聚氨酯硬泡塑料和磚墻之間的界面．

(2) 冷凝界面是否發(fā)生冷凝現(xiàn)象，與室內(nèi)溫度和室內(nèi)濕度有關(guān)．當(dāng)室內(nèi)溫度越高時(shí)，越容易發(fā)生冷凝；當(dāng)室內(nèi)濕度越大時(shí)，越容易發(fā)生冷凝．

(3) 與內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)相比，外保溫結(jié)構(gòu)不易發(fā)生冷凝．但外保溫結(jié)構(gòu)的冷凝界面處溫度往往低于零度，因此，一旦發(fā)生冷凝，則伴隨有結(jié)冰現(xiàn)象．

該計(jì)算也存在著一定不足．因所選取的蒸汽滲透數(shù)學(xué)模型，是在實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列假設(shè)而推出的穩(wěn)態(tài)純蒸汽滲透過程．同時(shí)，在寒冷地區(qū)的供暖建筑中，往往室內(nèi)濕度低于舒適濕度，所以一般不會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象．但是，寒冷地區(qū)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)往往過于寬松，導(dǎo)致室內(nèi)實(shí)際溫度高于 18,℃，達(dá)到了20,℃甚至更高；另一方面，雖然室內(nèi)濕度較低，隨著現(xiàn)代居民對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性要求的提高，一些用戶往往使用加濕器提高室內(nèi)濕度．這些均導(dǎo)致了冷凝現(xiàn)象的加劇，而一旦發(fā)生冷凝，就會(huì)對(duì)墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響．

因此，在使用聚氨酯保溫材料的墻體中，應(yīng)進(jìn)行防潮(結(jié)露)驗(yàn)算．對(duì)于外保溫結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的室內(nèi)熱濕狀況，選取蒸汽滲透阻較小的外墻覆蓋材料．對(duì)于內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，如果在供暖期室內(nèi)濕度較高的話，應(yīng)采取一定措施，例如：設(shè)置隔氣層，加強(qiáng)自然通風(fēng)控制室內(nèi)濕度等．

［1］秦中元，李延平. 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)技術(shù)淺析[J]. 中州建設(shè)，2007(10)：80.

［2］GB/T20219—2006．噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料[S].

［3］華南理工大學(xué). 建筑物理[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002：108-115.

［4］JGJ144—2004，外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程[S].

［5］GB50176—93，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［6］楊世銘，陶文栓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006：20-28．

［7］孔凡紅，鄭茂余，白 天. 外保溫節(jié)能墻體保溫層重量濕度含量研究[J]. 建筑節(jié)能，2007(1)：29-33.

［8］賈春霞，趙立華，董重成. 嚴(yán)寒地區(qū)外貼聚苯板復(fù)合墻體傳濕研究[J]. 保溫材料與建筑節(jié)能，2001(8)：1-4.

Analysis of Moisture Transfer and Condensation on Polyurethane Foam Composite Wall

LI Wen-jie，ZHAO Shu-xing
(Department of Energy Technology and Mechanical Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China)

Polyurethane material has been widely used as its excellent thermal insulating properties in outer wall insulation of buildings. Because of its low water vapor permeability and low water absorption，no vapor barrier is adopted in the building wall. In actual practice，if the temperature inside is too high，the phenomenon of condensation will happen. This paper calculates and analyzes the characteristics of moisture transfer of composite walls with polyurethane materials under different indoor temperature and humidity，and then points out some problems to be noticed in building designing.

composite wall；polyurethane；moisture transfer；condensation of moisture；building energy efficiency

TU551

A

1006-6853(2010)04-0303-04

2010-06-01；

2010-07-06

李文杰（1986—），男，山東德州人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．

（編輯：張?zhí)m娜）