聚氨酯硬泡复合墙体传湿过程及结露分析

李文杰，赵树兴

(天津城市建设学院 能源与机械工程系，天津 300384)

聚氨酯硬泡复合墙体传湿过程及结露分析

李文杰，赵树兴

(天津城市建设学院 能源与机械工程系，天津 300384)

目前，聚氨酯材料因其优异的保温特性在建筑外保温中得到了广泛的应用．由于该材料蒸汽渗透率和吸水率较低，所以大多不另设防潮隔气层．但在实际中，如果室内湿度较高，由于墙体其他材料的传湿特性不同，有可能出现冷凝现象．笔者针对寒冷地区聚氨酯硬泡复合墙体在不同室内温、湿度情况下的传湿特性进行了计算分析，并指出了设计中应注意的问题．

复合墙体；聚氨酯；传湿；结露；建筑节能

随着我国建筑节能标准的进一步提高，传统的墙体保温材料在某些方面已经逐步显露出了一些弊端．聚氨酯硬泡塑料作为一种新型的墙体保温材料，由于其具有保温效果好、施工安全便捷、密度小、抗老化等特点，逐渐受到广大用户的青睐，在建筑工程中得到了广泛的应用[1]．

聚氨酯硬泡塑料闭孔率在 95%以上，属于憎水材料．根据相关规范标准，应用于建筑墙体中的聚酯氨硬泡塑料要求吸水率低于4%．因此，大多数研究认为，聚氨酯墙体具有良好的防水防潮性能[2]．

但在实际应用中，对于建筑内外环境的传湿、传热过程而言，墙体是一个整体，以聚氨酯替代传统保温材料，会使得其他材料层的传热、传湿过程发生一定的变化．为此，笔者对氨酯硬泡复合墙体进行了计算分析和探讨．

1 湿传递过程基本原理及数学模型

在建筑热工中，把没有温差条件下的水分迁移过程，称为湿传导；而有温差的水分迁移过程称为热湿传导．在热湿传导中，需要考虑的因素较多．目前，所采取的计算方法基于以下几种：①不考虑室内外水蒸气分压力随时间的变化，将传湿过程视为稳态；②不考虑材料沿由外到内方向外其他方向上的不均匀；③不考虑各材料层沿由内到外方向上由于温度变化而引起的物性变化；④不考虑水蒸气分子与材料之间发生的反应[3]．

在以上假设前提下，纯蒸汽渗透过程与热传导过程类似，通过维护结构的蒸汽渗透强度，与室内外的水蒸气分压力成正比，与材料层蒸汽渗透阻成反比[3]，其表达式为

对于蒸汽渗透阻而言，总蒸汽渗透阻由下式求得

根据以上两个公式，可以进一步推导出，材料层各个界面上的水蒸气分压力，其表达式为

式中：mP为第m层材料界面处的水蒸气分压力，aP．

在已判断出有冷凝产生的情况下，计算材料层湿度增量的公式为

式中：Δω为材料的湿度增量，%；PA为分压力较高一侧的水蒸气分压力，Pa；PB为分压力较低一侧的水蒸气分压力，Pa；Psc为冷凝界面处的饱和水蒸气分压力，Pa；H0,i为冷凝界面蒸汽流入侧的蒸汽渗透阻，m2⋅h⋅ Pa/ g；H0,e为冷凝界面蒸汽流出侧的蒸汽渗透阻，m2⋅h⋅ Pa/g；Zh为当地采暖天数，d；d为材料厚度，m；ρ为材料密度，k g /m3．

2 聚氨酯硬泡复合墙体传湿过程分析

2.1 保温复合墙体结构及计算参数

笔者采用 40,mm厚聚氨酯硬泡保温层的240,mm 厚砖墙[4]，针对外保温和内保温两种情况进行了分析．外保温复合墙体结构如图1所示，内保温复合墙体结构如图2所示．各层材料热、湿参数见表1．

图1 外保温墙体材料层示意

图2 内保温墙体材料层

表1 墙体各层材料及热湿参数

2.2 平均温、湿度情况下的传湿过程计算分析

笔者所研究的保温复合墙体位于寒冷地区，供暖期平均室外温度为零下0.9,℃，湿度为 53%；室内温度为 18,℃，湿度为 60%[5]．

根据公式(4)，结合水蒸气图表，可以计算各个界面上的水蒸气分压力及温度[6]，计算结果见表 2和表 3．

表2 外保温结构墙体各界面处温度及水蒸气分压力

表3 内保温结构墙体各界面处温度及水蒸气分压力

建筑防潮计算中的冷凝界面一般处于材料层的蒸汽渗透系数由大变小处[3]．在所计算的实例中，当采用内保温结构时，2-3界面处水蒸气分压力大于该温度下的饱和水蒸气分压力，即冷凝界面是聚氨酯硬泡塑料和砖墙之间的界面．虽然聚氨酯蒸汽渗透系数小于砖墙的蒸汽渗透系数，但其热阻太大，导致温度降幅增大，饱和水蒸气压力大幅降低，最终出现了冷凝．

外保温结构中，在上述计算条件下没有界面发生冷凝．其中最可能发生冷凝的界面为3-4界面．虽然外保温结构中难以发生冷凝，但如果一旦发生，冷凝界面为聚氨酯硬泡保温层与外水泥砂浆之间的界面，该界面温度低于0,℃时，即发生结冰，对墙体结构危害较大．

在寒冷地区的实际供暖运行中，房间温度往往高于 18,℃，而湿度往往低于 60%[7-8]．为了获得更多对比数据，现选取温度分别为 18,℃，20,℃，22,℃，湿度分别为 40%，50%，60%．对冷凝界面的热湿参数进行进一步的验算．

2.3 外保温结构墙体冷凝界面计算及分析

计算外保温结构在不同室内温、湿度下的热湿参数，计算结果如表4．

表4 外保温墙体冷凝界面在不同室温和湿度下的热湿参数

由表4可知，外保温结构不易出现冷凝现象．但是，如果保温层外的外饰面蒸汽渗透阻过大，则会导致结冰．现假设外饰面热阻可忽略，推算不出现结冰的外饰面临界蒸汽渗透阻，其计算结果如表5所示．

2.4 内保温结构墙体冷凝界面计算及分析

计算内保温结构，对于有冷凝产生的情况，根据公式(5)计算采暖期总的材料湿度增量，计算结果见表 6．

对于塑料保温层，一般供暖季总湿度增量应小于15%[3]．由于供暖季总湿度增量是长时间平均值，因此，取温度为供暖期平均室外温度零下 0.9,℃，湿度为供暖期平均室外湿度，其值为 53%．以此推算室内不同温度下的湿度临界值，其计算结果见表7．

表 5 不同室内温湿度下不出现结冰现象的外饰面临界蒸汽渗透阻

表6 内保温墙体冷凝界面在不同室温和湿度下的热湿参数

表 7 不同室内温度下满足材料层湿度增量要求的临界相对湿度

3 结 论

(1) 在所选取的保温墙体结构中和室内外热湿条件下，对于外保温结构，冷凝界面为聚氨酯硬泡外保温层与外水泥砂浆之间的界面；对于内保温结构，冷凝界面为聚氨酯硬泡塑料和砖墙之间的界面．

(2) 冷凝界面是否发生冷凝现象，与室内温度和室内湿度有关．当室内温度越高时，越容易发生冷凝；当室内湿度越大时，越容易发生冷凝．

(3) 与内保温结构相比，外保温结构不易发生冷凝．但外保温结构的冷凝界面处温度往往低于零度，因此，一旦发生冷凝，则伴随有结冰现象．

该计算也存在着一定不足．因所选取的蒸汽渗透数学模型，是在实际情况的基础上进行了一系列假设而推出的稳态纯蒸汽渗透过程．同时，在寒冷地区的供暖建筑中，往往室内湿度低于舒适湿度，所以一般不会发生冷凝现象．但是，寒冷地区的实际工程设计往往过于宽松，导致室内实际温度高于 18,℃，达到了20,℃甚至更高；另一方面，虽然室内湿度较低，随着现代居民对室内环境舒适性要求的提高，一些用户往往使用加湿器提高室内湿度．这些均导致了冷凝现象的加剧，而一旦发生冷凝，就会对墙体结构产生较大的影响．

因此，在使用聚氨酯保温材料的墙体中，应进行防潮(结露)验算．对于外保温结构，应根据实际的室内热湿状况，选取蒸汽渗透阻较小的外墙覆盖材料．对于内保温结构，如果在供暖期室内湿度较高的话，应采取一定措施，例如：设置隔气层，加强自然通风控制室内湿度等．

［1］秦中元，李延平. 聚氨酯硬泡外墙外保温系统技术浅析[J]. 中州建设，2007(10)：80.

［2］GB/T20219—2006．喷涂硬质聚氨酯泡沫塑料[S].

［3］华南理工大学. 建筑物理[M]. 广州：华南理工大学出版社，2002：108-115.

［4］JGJ144—2004，外墙外保温工程技术规程[S].

［5］GB50176—93，民用建筑热工设计规范[S].

［6］杨世铭，陶文栓. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2006：20-28．

［7］孔凡红，郑茂余，白 天. 外保温节能墙体保温层重量湿度含量研究[J]. 建筑节能，2007(1)：29-33.

［8］贾春霞，赵立华，董重成. 严寒地区外贴聚苯板复合墙体传湿研究[J]. 保温材料与建筑节能，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，山东德州人，天津城市建设学院硕士生．

（编辑：张兰娜）