我國不同氣候區(qū)典型外墻的熱濕遷移特性及霉菌生長風險評估*

上海建科集團股份有限公司 章重洋 李景廣 陸津龍同濟大學 高 軍 陳玉卿

0 引言

建筑圍護結(jié)構(gòu)是連接室內(nèi)外環(huán)境的主要部件，其熱工性能對建筑節(jié)能有重要影響。據(jù)統(tǒng)計，圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的能耗約占供暖及空調(diào)能耗的20%～50%(夏熱冬暖地區(qū)約為20%，夏熱冬冷地區(qū)約為35%，寒冷地區(qū)約為40%，嚴寒地區(qū)約為50%)[1]。在我國濕熱地區(qū)，室內(nèi)外溫濕度差異會導致圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生強烈的熱濕遷移。墻體內(nèi)部的濕累積會降低外墻熱阻，增加建筑能耗(增加比例高達4%～10%[2])。另外，墻體內(nèi)部冷凝、內(nèi)表面結(jié)露、內(nèi)表面濕度過高會為霉菌的滋生提供有利條件，繼而產(chǎn)生大量微生物有機揮發(fā)物(MVOC)、導致不良建筑物綜合征(SBS)[3-6]，影響室內(nèi)人員身心健康。因此，研究圍護結(jié)構(gòu)熱濕遷移現(xiàn)象，有助于理解圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱濕遷移機理，對于提升建筑圍護結(jié)構(gòu)設計水平、降低建筑能耗、提高室內(nèi)空氣質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實意義和社會效益[7-8]。

我國關于民用建筑圍護結(jié)構(gòu)的防潮設計依據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》[9]，其中第7.1.3條指出：目前我國缺乏必要的材料濕物性參數(shù)，工程上依舊采用穩(wěn)態(tài)純蒸汽擴散模型——Glaser模型進行外墻的防潮設計[10]。但該模型存在以下幾個方面的不足：第一，該模型忽視了多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱濕累積、熱濕耦合及液態(tài)水擴散，只考慮材料內(nèi)部的一維水蒸氣擴散，從理論上講，沒有完全反映材料內(nèi)部的濕遷移機理。第二，穩(wěn)態(tài)計算方法無法獲得建筑圍護結(jié)構(gòu)中熱濕遷移的動態(tài)變化特性，容易高估或低估墻體內(nèi)部的結(jié)露風險。第三，圍護結(jié)構(gòu)中霉菌的滋生過程具有時間特性，與墻體內(nèi)部或表面的溫濕度動態(tài)變化過程密切相關，基于Glaser模型無法進一步評估圍護結(jié)構(gòu)中的霉菌滋生風險。根據(jù)Glaser模型，即使保證墻體不結(jié)露，若墻體內(nèi)部或內(nèi)表面長時間處于高濕狀態(tài)，還是會引發(fā)霉菌滋生。因此，按照目前規(guī)定，即便墻體設計滿足GB 50176—2016的要求，仍然不能完全避免霉菌滋生。

目前不少國內(nèi)學者對建筑外墻的熱濕傳遞及霉菌生長風險展開了研究。如郭興國等人基于熱濕遷移模型研究了濕熱氣候地區(qū)木結(jié)構(gòu)墻體的霉菌滋生情況[11]。于水等人分析了我國嚴寒地區(qū)地下室外墻壁面熱濕特性與霉菌污染之間的聯(lián)系[12]。陳國杰等人以紅磚墻體為例，建立了溫濕度驅(qū)動的熱濕傳遞模型，探究了我國南方地區(qū)室外氣象因素對霉菌滋生的影響[13]。李念平等人模擬了長沙地區(qū)普通磚墻表面霉菌孢子的萌發(fā)特性，并探究了磚墻表面發(fā)霉狀況與季節(jié)的相關性[14]。陳玉卿等人對圍護結(jié)構(gòu)霉菌種類識別及生長風險展開了研究，對上海市典型圍護結(jié)構(gòu)(混凝土聚苯乙烯外保溫墻體)的霉菌生長風險進行了計算分析[15]。上述工作側(cè)重于某一類型墻體表面的霉菌生長風險研究，而關于不同氣候區(qū)、不同類型墻體的霉菌生長風險及對比研究較少。我國幅員遼闊，南北跨度大，建筑氣候分為5個氣候區(qū)(嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū))，按照建筑標準設計圖集09J908-3《建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能工程做法及數(shù)據(jù)》[16]，不同氣候區(qū)建筑的外墻結(jié)構(gòu)具有較大的差異，墻體內(nèi)部熱濕遷移特性和霉菌生長風險也各不相同。研究不同氣候區(qū)外墻的熱濕傳遞特性及霉菌生長風險對建筑節(jié)能、防潮防霉至關重要。本文選取我國5個氣候區(qū)的5個代表城市沈陽、北京、上海、福州和昆明，按照建筑節(jié)能要求確定外墻結(jié)構(gòu)，采用動態(tài)熱濕耦合模擬軟件WUFI Pro 6.2，研究外墻的熱濕傳遞特性及內(nèi)表面霉菌生長風險，為進一步優(yōu)化外墻性能提供指導。

1 研究方法

近20年，研究人員開發(fā)了大量的熱濕耦合模型用于研究材料中的熱濕傳遞過程，其中多數(shù)面向高校及科研院所，市場上公開發(fā)布的少數(shù)熱濕耦合模擬軟件如DELPHIN、WUFI、HygIRC、MATCH和MOIST等已在歐洲普遍使用。目前DELPHIN和WUFI通過了BS EN 15026:2007[17]提供的標準試驗測試，并已在建筑領域成功應用。本研究選擇WUFI Pro 6.2軟件研究我國建筑外墻的熱濕傳遞特性及霉菌生長風險，該軟件基于Künzel提出的傳熱傳濕動態(tài)平衡方程[18]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中cm為材料的比熱容，J/(kg·K)；ρm為材料的密度，kg/m3；cw為水的比熱容，J/(kg·K)；w為體積含濕量，kg/m3；T為材料溫度，K；t為時間，s；λ為導熱系數(shù)，W/(m·K)；he為水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；δ0為空氣中水蒸氣的滲透系數(shù)，kg/(m·s·Pa)；μ為水蒸氣阻力系數(shù)；φ為相對濕度；pv,sat為飽和蒸氣壓，Pa；x為材料厚度，m；Dw為液態(tài)水擴散系數(shù)，m2/s。

利用數(shù)值離散迭代計算方法可以求解以上偏微分方程組。

影響數(shù)值模擬結(jié)果的主要因素包括材料物性參數(shù)、邊界條件、初始條件、計算時長等，本研究中外墻材料物性參數(shù)根據(jù)已有的實驗測試結(jié)果設定，5個代表城市當?shù)氐闹饡r氣象數(shù)據(jù)從Meteonorm 7.1.3軟件[19]中獲得，城市相關信息如表1所示。

表1 5個氣候區(qū)代表城市信息

模擬工況中室內(nèi)邊界條件依據(jù)BS EN 15026:2007[17]設置為高濕負荷，外墻材料的初始相對濕度和溫度分別設定為80%和20 ℃，計算時段從當年10月1日至第5年10月1日。

依據(jù)09J908-3《建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能工程做法及數(shù)據(jù)》[16]，5個不同氣候區(qū)(5個代表城市)常用外墻類型如表2所示。保溫類型包括外保溫、內(nèi)保溫、內(nèi)外組合保溫；主體材料主要有2種：鋼筋混凝土(CON)和加氣混凝土(AAC)；保溫材料包括聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)、聚氨酯泡沫塑料(PU)和保溫砂漿(MO)，模擬過程中保溫材料的厚度依據(jù)圖集推薦的最小及最大值設定，如表2所示。表2中共計44種外墻類型(沈陽12種，北京12種，上海14種，福州3種，昆明3種)，分別對44種外墻進行熱濕傳遞及霉菌生長風險模擬。

表2 我國不同氣候區(qū)常用外墻類型和計算工況

不同保溫形式外墻的構(gòu)造方式如表3所示。表中外墻的左壁面靠近室外側(cè)，代表外墻外表面；右壁面靠近室內(nèi)側(cè)，表示外墻內(nèi)表面。根據(jù)外墻構(gòu)造方式在WUFI Pro 6.2中選擇相應的材料建立計算模型并劃分網(wǎng)格。

表3 外墻構(gòu)造方式

為便于討論，這里將不同構(gòu)造方式的外墻統(tǒng)一簡寫為W[#1#2、#3#4、#5]，其中W代表選擇的城市(Y-沈陽，B-北京，H-上海，F(xiàn)-福州，K-昆明)，#1為主體材料厚度，#2為主體材料種類，#3為保溫材料厚度，#4為保溫材料種類，#5為保溫類型。例如，上海200 mm厚鋼筋混凝土墻、25 mm厚EPS外保溫記作H[200CON、25EPS、外保溫]。

2 外墻熱濕傳遞特性

2.1 熱流及濕流

本文計算了5 a內(nèi)通過墻體內(nèi)、外表面的熱量和濕量(熱流及濕流關于時間的積分值)，對比了不同外墻的性能，為不同地區(qū)建筑物外墻的節(jié)能效果評估提供直觀的判斷依據(jù)。計算結(jié)果如圖1和圖2所示，其中，熱量或濕量通過墻體表面由外向內(nèi)傳遞為正值，反之則為負值；內(nèi)外表面的差值為通過墻體的凈熱量或凈濕量，正值表示墻體發(fā)生熱或濕累積。

圖1 不同氣候區(qū)代表城市外墻傳遞熱量

圖2 不同氣候區(qū)代表城市外墻傳遞濕量

在不同氣候區(qū)，增加外保溫材料的厚度能有效降低墻體表面的傳熱量，提高墻體的保溫性能。由于AAC材料的導熱系數(shù)(0.15 W/(m·K))低于CON材料(1.741 W/(m·K))，因此，當保溫形式、保溫材料種類及厚度相同時，AAC墻體的保溫性能要優(yōu)于CON墻體，例如H[200CON、30EPS、外保溫]的外側(cè)傳熱量高達937.52 MJ/m2，而H[200AAC、30EPS、外保溫]的外側(cè)傳熱量只有417.72 MJ/m2。對于同種保溫材料，在達到相同保溫效果時AAC墻體所需的保溫材料厚度小于CON墻體；同時，由于保溫材料EPS、XPS、PU的導熱系數(shù)依次降低，達到相同保溫效果時所需的保溫材料厚度也依次降低。根據(jù)模擬結(jié)果，標準設計圖集提供的外墻設計方案中，福州和昆明采用的保溫砂漿內(nèi)外保溫墻體(F[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫]，K[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫])的熱量損失較大，該地區(qū)考慮進一步提高建筑節(jié)能效果時，應減少使用該墻體形式。利用熱濕耦合模擬技術能夠定量比較不同外墻設計方案的節(jié)能效果，為建筑外墻節(jié)能設計提供指導。

各城市不同外墻運行5 a后通過內(nèi)外表面的總濕量及墻體凈濕量如圖2所示，模擬結(jié)果表明，通過所有外墻的凈濕量均小于零，因而建筑標準設計圖集提供的不同氣候區(qū)外墻運行5 a后不發(fā)生濕累積。對于AAC墻體，沈陽、北京、上海3個城市各種類型外墻的內(nèi)、外表面?zhèn)鬟f的濕量均為負值，即內(nèi)表面從室內(nèi)吸濕經(jīng)由外表面?zhèn)鬟f至室外，且外表面流向室外的總濕量均大于內(nèi)表面吸收的總濕量，墻體整體處于放濕狀態(tài)。對于CON墻體，沈陽、北京、上海、福州4個城市各種類型外墻總體處于放濕過程，但內(nèi)表面的傳濕量均為正值，即外墻向室內(nèi)傳濕，增加室內(nèi)濕負荷。因此，相比之下，AAC墻體的吸濕性能較好，對室內(nèi)高濕負荷有一定的調(diào)節(jié)作用。

對于昆明地區(qū)，采用與上海、福州地區(qū)相同的CON外墻時，與上海、福州的情況相反，其內(nèi)表面的總濕量均為負值，即室內(nèi)空氣向墻體傳濕；同樣地，采用與福州相同的混凝土保溫砂漿內(nèi)外組合保溫墻體時，與福州的情況相反，其內(nèi)表面的總濕量均為負值，即室內(nèi)空氣向墻體傳濕。以上2點表明，昆明地區(qū)采用圖集推薦的外墻時室內(nèi)濕度水平較高。因此相較于其他地區(qū)，昆明采用圖集中推薦的2類外墻時，內(nèi)表面霉菌生長風險會偏高。

6種材料的傳熱能力由高到低排序為：CON>AAC>MO>EPS>XPS>PU；傳濕能力由高到低排序為：AAC>PU>EPS>CON>MO>XPS。AAC的保溫性能及傳濕性能都要好于CON，因此冬季AAC墻體內(nèi)部發(fā)生凝結(jié)的風險較低；此外，AAC具有較好的傳濕能力，吸放濕速度較快，能夠有效避免濕累積。對于保溫要求較高的氣候區(qū)，AAC也具有良好的適應性。

2.2 外墻總體含水量

對于組成墻體的多孔材料來說，其導熱系數(shù)和含水量有較大關系，材料的保溫性能隨含水量的增加而急劇降低，增加建筑能耗。圖3給出了不同城市墻體總體含水量的變化。由圖3a可以看出：不同城市的CON外墻在運行5 a期間，含水量在每年冬季會出現(xiàn)短暫的上升，但總體呈現(xiàn)逐年遞減趨勢，前3 a下降趨勢較快，3 a后逐漸趨于穩(wěn)定，表明CON外墻初始含水量偏高導致墻體干燥緩慢；不同氣候區(qū)的代表城市對比發(fā)現(xiàn)，墻體內(nèi)含水量受當?shù)貧庀髼l件影響較大，高溫高濕的福州地區(qū)CON外墻含水量高于其他城市，上海、昆明、北京和沈陽CON外墻含水量依次降低，北京和沈陽均屬于低溫低濕氣候，總體水平相差不大。

圖3b給出了沈陽、北京、上海使用AAC外墻時，運行5 a墻體的含水量變化趨勢。AAC外墻的含水量由初始狀態(tài)經(jīng)過1 a后就過渡到穩(wěn)定變化狀態(tài)，這與AAC墻體吸放濕性能較好相關。

圖4～6分別比較了沈陽、北京和上海3個地區(qū)不同保溫材料(EPS、XPS、PU)及不同保溫厚度對混凝土外墻含水量的影響。3個地區(qū)的結(jié)果均表明：XPS的傳濕性能較差，導致墻體干燥速度較慢，墻體內(nèi)含水量最高；EPS和PU的傳濕性能相差不大，墻體內(nèi)含水量水平相當。由圖6a可以看出，隨著保溫材料厚度增加，上海地區(qū)外保溫外墻含水量有所降低，尤其是PU保溫材料降低較為明顯；沈陽和北京地區(qū)顯示的結(jié)果恰好相反(如圖4a、5a所示)。對于不同主體材料的墻體，含水量差異更加顯著，3個城市中CON墻體的含水量均遠高于AAC墻體(如圖4b、5b、6b所示)。從2種主體材料構(gòu)成的外墻的含水量變化來看，墻體都不發(fā)生濕累積，處于安全狀態(tài)。

3 不同地區(qū)霉菌生長風險預測結(jié)果

本文在預測霉菌生長風險方面采用Sedlbauer提出的生物熱濕模型和等值線模型[20]，得到墻體內(nèi)表面霉菌生長率指標，該指標能夠比較不同情況下霉菌生長風險大小，但無法直接描述霉菌生長的視覺感官情況。為了能夠直觀反映霉菌生長的宏觀結(jié)果，本文采用VTT模型[21]中的霉菌指數(shù)指標進行分析，如表4所示，0～6分別代表不同的墻體發(fā)霉程度。Krus等人對32個不同氣候區(qū)城市、不同圍護結(jié)構(gòu)形式共計350個案例進行了計算和實驗，給出了霉菌指數(shù)和霉菌生長率之間的轉(zhuǎn)換關系擬合曲線[22]，如圖7所示。根據(jù)該擬合曲線可以將霉菌生長率轉(zhuǎn)化為霉菌指數(shù)，進而從2個角度去評價墻體的霉菌生長情況。

表4 不同霉菌指數(shù)的霉菌覆蓋率

圖7 霉菌生長率與霉菌指數(shù)函數(shù)關系

圖8和圖9分別給出了第一年墻體內(nèi)表面霉菌生長率(菌絲長度年生長量)及霉菌指數(shù)的模擬結(jié)果。沈陽、北京、上海地區(qū)不同類型外墻的最大霉菌生長速率小于20 mm/a，霉菌指數(shù)小于0.1。而福州和昆明地區(qū)，尤其是采用輕質(zhì)保溫砂漿內(nèi)外組合保溫的CON墻體內(nèi)表面，如K[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫]，霉菌生長速率高達117 mm/a，相應的霉菌指數(shù)為0.8，此時已有少量的霉菌產(chǎn)生，有影響人體健康的危險。在溫濕度水平偏高地區(qū)，為減小霉菌生長帶來的危害，應盡量減少選用混凝土保溫砂漿內(nèi)外組合保溫形式。另外，由圖8和圖9中不同保溫材料厚度的外墻內(nèi)表面霉菌生長風險比較可以看出，通過增加保溫層厚度可有效降低霉菌生長率，降低霉菌指數(shù)，即增強外墻的保溫性能可以有效降低內(nèi)表面霉菌生長風險。

圖8 不同氣候區(qū)代表城市外墻內(nèi)表面霉菌生長率

圖9 不同氣候區(qū)代表城市外墻內(nèi)表面霉菌指數(shù)

研究表明，濕度是影響霉菌生長的重要因素[14,23-24]，不同氣候區(qū)墻體內(nèi)表面濕度變化是影響霉菌生長率和霉菌指數(shù)的關鍵參數(shù)。圖10給出了不同氣候區(qū)中內(nèi)表面霉菌生長風險最高的外墻類型(Y[200CON、55EPS、外保溫]、B[200CON、55EPS、外保溫]、H[200CON、20XPS、外保溫]、F[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫]、K[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫])運行5 a內(nèi)的內(nèi)表面濕度變化情況，可以看出福州(F[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫])和昆明(K[200CON、10MO、內(nèi)外組合保溫])外墻內(nèi)表面濕度水平高于其他地區(qū)，是導致內(nèi)表面霉菌生長風險較高的主要原因。

圖10 不同氣候區(qū)外墻內(nèi)表面相對濕度隨墻體運行時間的變化

4 結(jié)論

1) 國家建筑標準設計圖集09J908-3中推薦的外墻類型基本能夠滿足不同氣候區(qū)節(jié)能和不發(fā)生濕累積的要求，昆明地區(qū)采用混凝土保溫砂漿內(nèi)外組合保溫外墻節(jié)能效果較差。

2) AAC墻體具有較好的保溫性能和吸濕性能，在不同氣候區(qū)都具有良好的適應性；結(jié)構(gòu)強度較大的CON墻體保溫性能和吸放濕性能相對較差，墻體干燥過程較慢，容易對室內(nèi)造成過多的濕負荷。

3) 建筑標準設計圖集推薦的我國北方和中部地區(qū)(沈陽、北京、上海)外墻的內(nèi)表面霉菌生長風險較低；但南方(福州和昆明)地區(qū)采用混凝土保溫砂漿內(nèi)外組合保溫墻體內(nèi)表面霉菌生長風險相對較高；采用AAC外保溫墻體、增加保溫層厚度能有效降低霉菌生長風險。對于墻體內(nèi)部保溫材料與主體材料界面處霉菌生長風險及不同結(jié)構(gòu)熱橋的霉菌生長風險情況還需要進一步研究。