夏热冬冷地区外保温墙体凝露特性及防结露措施分析

邹凯凯 李舒宏

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

为判定墙体结露情况,Bellia等[8]利用软件TMCE对冬季某多层结构墙体表面的结露问题进行了计算分析,由此获得墙体的最小热阻值,并判断墙体表面结露情况的发生.Liu等[9]运用CFD方法对围护结构内表面的结露问题进行了三维瞬态模拟分析,认为适当的通风可以有效减少结露的风险.在墙体内部结露的研究方面,以往常采用Glaser[10]提出的蒸汽渗透模型,使用图解法对墙体内部进行结露与否的简单判断,在图表中,水蒸气分压力线与饱和水蒸气分压力线闭合的区域容易发生结露现象.李继领等[11]根据此模型,分析了上海地区各种墙体的热湿分布状态,但也指出了Glaser模型无法反映调湿材料的动态调湿特性这一缺陷.陈启高[12]指出用Glaser模型指导建筑围护结构设计时,会出现判定不结露时可能结露的现象,该模型具有一定的局限性.

近年来,为进一步准确了解墙体内部的热湿分布及判断墙体内部的结露情况,许多学者采用热湿耦合传递模型进行墙体内部结露情况的分析.郭兴国等[13]以空气含湿量与温度为驱动势建立热湿耦合传递模型,分析了南方石膏板-玻璃纤维-砖墙内热湿分布,得出墙体内会出现湿累积的现象,需要采取相关措施预防霉菌生长.黄建恩等[14]建立了以水蒸气分压力为质驱动势的热湿耦合传递模型,模拟分析上海地区自然状态下加气混凝土砌块墙体10年的热湿变化,得到了墙体内部各点温湿度波动规律,墙体内部湿度延时可高达1年以上,并且墙体内表面在部分时段相对湿度会高于80%,易产生霉变现象,但未给出具体的防止墙体内部发霉的措施及相关效果.

目前文献大多提及当墙体内部容易发生结露情况时,可适当采用空气层或隔汽层防结露措施[15],但对2种防结露措施效果的研究较少.本文将采用热湿耦合传递模型,对夏热冬冷地区常见的EPS(expanded polystyrene)外保温墙体进行凝露特性的模拟分析,并针对此地区外保温墙体对空气层、隔汽层2种常用的防结露措施的防结露效果进行分析比较.

1 热湿耦合传递模型

墙体中的热湿传递非常复杂,为简化模型与方便计算,本文将采取以下基本假设：

1) 墙体各层材料均为刚性骨架材料,不发生热湿形变；

2) 墙体内部为均匀连续介质,各向参数同性,局部热力学平衡；

3) 墙体各层材料之间接触紧密,不存在接触热阻湿阻；

4) 墙体材料在热湿传递过程中,不产生化学变化,不存在性能的衰减；

5) 墙体内部水分仅存在气液两相,水蒸气为理想气体,满足理想气体状态方程；

6) 墙体厚度远小于高度与宽度,将其简化为一维模型.

1.1 湿传递控制方程

根据Fick定律、Darcy定律及质量守恒定律,墙体内部的湿传递方程可表达为

(1)

(2)

(3)

式中,ρ为材料的密度,kg/m3；u为材料的质量含湿量,kg/kg；t为时间,s；Jv为水蒸气的扩散通量,kg/(m2·s)；Jl为液态水的扩散通量,kg/(m2·s)；Dv为水蒸气渗透系数,kg/(Pa·m·s)；Pv为水蒸气分压力,Pa；Dl为液态水的渗透系数,kg/(Pa·m·s)；Pl为液态水的毛细压力,Pa；x为距离,m.其中,Dl与Dv的关系可表示为[16]

由材料的热湿平衡曲线及开尔文关系[17]得

(4)

Pl=ρlRvTln(φ)

(5)

式中,ξ为材料等温吸放湿曲线的斜率；Rv为水蒸气的气体常数,约为461 J/(kg·K),T为温度,K.

将式(2)、(3)代入式(1),得到如下湿传递方程：

(6)

式中,Pv,s为饱和水蒸气分压力,Pa.

1.2 热传递控制方程

根据能量守恒定律及Fourier导热定律,可得到如下热传递方程：

(7)

式中,c为材料的比热容,J/(kg·K)；λ为墙体材料的导热系数,W/(m·K)；s为热源项,J/(m2·s).

在墙体热湿传递过程中主要为水的相变热,其表达式[18]为

(8)

式中,L为水蒸气的汽化潜热,J/kg.

联立式(2)、(7)、(8),可得到热传递的控制方程：

(9)

(10)

其中

aφ(φ,T)=ρξ,aT(T,φ)=ρc

DTφ(T,φ)=LDvPv,s

1.3 定解条件

在墙体热湿传递过程中,可将室内外侧环境看作墙体的热源与湿源,在不考虑室外降雨的情况下,可得到以下关系式：

对于室外侧,x=0处，

Jv,out=hm,out(ρv,∞,out-ρv,surf,out)

(11)

qout=hout(T∞,out-Tsurf,out)+αI+LJv,out

(12)

对于室内侧,x=l处，

Jv,in=hm,in(ρv,surf,in-ρv,∞,in)

(13)

qin=hin(Tsurf,in-T∞,in)+LJv,in

(14)

式中,Jv,in,Jv,out分别为室内外环境与壁面的湿交换量,kg/(m2·s)；qin,qout分别为室内外环境与壁面的热交换量,J/(m2·s)；T∞,in,T∞,out分别为室内外侧的环境温度,K；Tsurf,in,Tsurf,out分别为室内外墙体的表面温度,K；hin,hout分别为室内外墙体表面换热系数,W/(m2·K)；hm,in,hm,out分别为室内外表面水蒸气的传质系数,可由刘易斯关系求得,m/s；ρv,∞,in,ρv,∞,out分别为室内外侧水蒸气密度,kg/m3；ρv,surf,in,ρv,surf,out分别为室内外墙体表面水蒸气密度,kg/m3；α为外表面墙体的辐射吸收系数；I为太阳辐射强度,W/m2.

根据以上边界条件及热湿耦合传递控制方程,在已知初始时刻温湿度场T0,φ0的条件下,即可对温度场T与湿度场φ进行动态模拟计算.

2 模型验证

本文采用Python语言对上述模型进行编程,离散方法采用有限体积法,在空间域上采用中心差分法,在时间域上为保证收敛性采用全隐式格式.网格划分中,采用内节点法,界面处的物性参数取左右节点的调和平均数.在边界条件的处理上,由于一般是第三类边界条件,可采用附加源项法对边界进行处理,其中迭代计算部分采用TDMA加速算法.

为验证上述热湿耦合传递数学模型的准确性,根据文献[19-20]中的实验条件,将实验中云杉胶合板的各项物性参数、初始条件及边界条件代入到模型中进行模拟计算,得到了云杉胶合板内部各时刻的温湿度场,如图1和图2所示.

图1 云杉胶合板内部温度实验值与模拟值

图2 云杉胶合板内部相对湿度实验值与模拟值

图1和图2中曲线分别为云杉板外侧9 mm处及18 mm处的温湿度实验值与模拟值的变化曲线.从模拟数据的趋势来看,与实验数据相吻合,并且其最大数值误差在5%以内,从而可以验证该模型的准确性.

3 外保温墙体凝露特性

3.1 墙体模型及参数

图3 外保温墙体示意图

南京、南昌、长沙、重庆4个地区的室外温湿度条件可根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》得到,在忽略太阳辐射强度情况下,其夏季工况(7,8月)、冬季工况(1,2月)平均温湿度如表2所示.根据文献[14]可知,墙体内部湿度的延时性极长,为分析冬夏季工况下墙体内部的热湿变化结果,冬夏季工况模拟时间取2个月(60 d).

表1 墙体材料热湿参数

表2 保温墙体及室内外温湿度计算参数

3.2 模拟结果

图4为南京、南昌、长沙、重庆4个地区冬夏季工况下,EPS外保温墙体内部60 d相对湿度的分布情况.由图可知,夏季工况下,自室外高湿侧至室内低湿侧,保温层部分相对湿度呈上升状态,在界面2处到达最大值.南京、南昌、长沙及重庆地区在界面2的相对湿度分别为86.43%,82.45%,86.07%,82.61%,均超过了80%并高于室外侧高湿环境的相对湿度.其中,南京地区界面2处相对湿度最高,结露风险最高；在冬季工况下,自室外侧至室内侧,墙体内部的相对湿度基本呈下降状态,墙体内各处相对湿度均低于室外侧高湿环境相对湿度,冬季工况下墙体内相对湿度最高处在外表面,接近于室外侧相对湿度.

夏季工况下室外水蒸气分压力高于室内侧水蒸气分压力,因此水蒸气由室外传向室内,如图5所示.由于保温层水蒸气渗透系数高于墙体基层,导热系数小于墙体基层,导致水蒸气分压力下降较慢而温度(饱和水蒸气分压力)下降较快,从而保温层部分相对湿度自室外侧至室内侧会逐渐提高.因此,当室外相对湿度波动升高时,界面2处相对湿度随之提高,甚至达到100%发生结露现象,该处具有较高的结露风险.

图4 各地区冬夏季EPS外保温墙体内部相对湿度分布 (60 d)

图5 南京地区EPS外保温墙体内部水蒸气分压力分布 (60 d)

与夏季工况相反,冬季工况条件下,虽然室内相对湿度低于室外,但其水蒸气分压力高于室外,此工况下水蒸气由室内向室外传递.因此在图5中,保温层部分相对湿度自室内向室外逐渐升高,相对湿度在界面2处最小,界面1处最大.在整个墙体中,其内部相对湿度均低于室外侧高湿环境下的相对湿度.

此外,结合图4和图5可看出,夏热冬冷地区外保温墙体在60 d后,基层材料的大部分区域相对湿度分布仍保持初始相对湿度状态,但墙体的湿传递仍未达到稳态.造成此现象的原因,一方面是由于基层材料的湿容量较大,其相对湿度变化较小；另一方面,由于基层材料的水蒸气渗透系数较小但厚度较大,水蒸气难以扩散入墙体内部或从墙体内扩散出来.因此,造成了水蒸气在基层材料内部传递的延时.

从时间维度上看,可作出如图6所示的上述工况下南京地区EPS外保温墙体界面2处饱和水蒸气分压力及水蒸气分压力的变化曲线,由此可分析得到界面2处温度及水蒸气分压力的传递过程.

图6 南京地区EPS外保温墙体保温层界面2处水蒸气 分压力分布变化

图6中,夏季工况下,界面2处温度整体在逐渐下降,4 d后基本达到稳定；而水蒸气分压力前2 d 由于极大的水蒸气渗透阻力基本保持不变,但相对湿度因温度下降而表现出上升的走势；随后,室外侧水蒸气传递界面2处导致水蒸气分压力逐渐提高,使水蒸气分压力靠近饱和水蒸气分压力,其相对湿度提高.在此工况下,界面2处相对湿度一直处于上升状态.

而在冬季工况下,界面2处温度逐步上升,6 d后基本稳定；而水蒸气分压力呈先升后降的变化趋势,在前4 d处于上升状态,但从变化趋势上看,其相对于饱和水蒸气分压力(温度)变化较缓,因此界面2处相对湿度会有微弱的下降；在4 d后,水蒸气分压力大小虽然变化不明显,但整体处于下降趋势,而此时界面2处温度基本稳定不变,界面2处相对湿度依然会呈微弱的下降趋势.

由图6中界面2处温湿度的传递过程可看出,墙体内部相对湿度的变化不仅与湿传递有关,而且与墙体热传递也有着紧密的联系；并且热与湿2种传递常常具有不一致的变化规律,影响着墙体内部的相对湿度变化.

4 防结露措施

由图4可知,夏热冬冷地区外保温墙体在夏季工况(7，8月平均温湿度)条件下,墙体内部部分区域相对湿度会升高,EPS保温层与基层交界面处相对湿度均超过80%,具有滋生霉菌的风险；此外,在自然条件下,当外界相对湿度长期处于高于平均相对湿度状态时,界面2附近相对湿度会提升从而造成结露.因此,夏热冬冷地区夏季外保温墙体内部具有较高的结露风险,需要采取相关的防结露措施来降低墙体内部的相对湿度.目前,常用的墙体防结露措施主要有2种,分别是在墙体内部材料间设置空气层或隔汽层.

为检验空气层、隔汽层2种方式的防结露效果,以夏季工况下墙体内部相对湿度最高的南京地区为例,在上述外保温墙体中各界面处(图3中界面1、界面2、界面3)分别增加空气层和隔汽层,进行冬夏季工况下的模拟,分析其防结露效果.

在模拟中,对照的外保温墙体为常用的EPS保温墙体,各界面处设置的空气层厚度为15 mm,隔汽层厚度为1 mm.图7为界面2设置空气层的外保温墙体示意图,界面1与界面3设置空气层及3个界面设置隔汽层的方式以此类推,处于原墙体的2种材料之间.

图7 界面2处设置空气层后的外保温墙体示意图

5 结果分析

5.1 设置空气层后模拟结果

在水泥砂浆-EPS-黏土砖-水泥砂浆复合墙体中有3个交界面(界面1、界面2、界面3),为分析空气层在墙体中的防结露效果,分别模拟3个界面处设置15 mm空气层后墙体内部相对湿度的分布情况.图8为原EPS外保温墙体及3个界面设置空气层60 d后墙体内部相对湿度的分布,为便于与原墙体内部相对湿度情况进行对比,图8中将空气层厚度略去.

从图8可看出,将空气层设置在不同位置对墙体材料内部相对湿度分布分别产生了不同的影响.在夏季工况条件下,原墙体保温层处最大相对湿度为86.43%,而界面1、界面2、界面3在设置空气层后,保温层处最大相对湿度分别为88.67%,84.12%,85.08%,其降低的效果为-2.24%,2.31%,1.35%.由此可见,在界面2和界面3处设置空气层可在一定程度上降低保温层结露风险.

在冬季条件下,界面1处设置空气层,保温层相对湿度由72.31%降低至61.94%；而界面2和界面3设置空气层后,保温层中最大相对湿度基本没有变化.由于冬季工况下墙体相对湿度均小于80%,界面1处设置空气层虽然大幅度减小了保温层的最大相对湿度,但相对于夏季工况提高保温层相对湿度的不利影响而言,其综合防结露效果欠佳.

由此可看出,夏热冬冷地区的上述外保温墙体在界面2(保温层与基层界面处)设置空气层的防结露效果较好,其次是界面3,在界面1处设置空气层反而会在夏季提高保温层的相对湿度,增加结露风险.

5.2 设置隔汽层后模拟结果

与空气层模拟情况相同,在EPS外保温墙体3个界面处分别设置隔汽层后,模拟得到图9中墙体内部60 d相对湿度的变化情况,图中忽略了隔汽层的厚度.

图9 南京地区各界面处设置隔汽层后墙体内部 相对湿度分布情况(60 d)

如图9所示,与空气层的效果不同,在采用隔汽层后,由于隔汽层阻断水蒸气通过的效果,隔汽层两侧相对湿度分布发生突变.当在界面1处设置隔汽层后,夏季工况下,隔汽层阻断了室外水蒸气向室内的扩散,墙体保温层处最大相对湿度降到64.89%；但在冬季工况下,界面1处的隔汽层也阻碍了室内水蒸气向室外的扩散,使水蒸气“聚集”在界面1的保温层侧,相对湿度明显提高至91.26%,极大地提高了保温层的结露风险,因此界面1处设置隔汽层的综合防结露效果不佳.

当在界面2处设置隔汽层后,夏季工况下,保温层侧最大相对湿度提高至89.11%,提高了2.68%,增加了墙体保温层的结露风险；而在冬季工况下,隔汽层基本没有降低墙体内部最大相对湿度.因此,界面2处设置隔汽层会提高外保温墙体的结露风险,不宜在此处设置隔汽层.

当在界面3处设置隔汽层后,冬夏季墙体内部相对湿度的分布与原保温墙体基本相同,仅在界面3附近存在局部的相对湿度变化,在界面3处设置隔汽层基本没有防结露的作用,反而会增加墙体的建造成本,因此隔汽层不宜设在此处.

综上可知,对于以南京地区为代表的夏热冬冷地区,外保温墙体内界面1设置隔汽层后冬夏季的综合防结露效果不佳,界面2处设置会提高夏季结露风险,而界面3处设置基本没有防结露效果,该地区设置隔汽层的防结露效果不理想.

6 结论

1) 夏热冬冷地区,在夏季工况下,外保温墙体保温层与基层交界面(界面2)相对湿度高于室外相对湿度,存在较高的结露风险.而冬季工况下,夏热冬冷地区墙体内部相对湿度均低于室外侧相对湿度,墙体内部基本没有结露的风险.

2) 在冬夏季工况条件下,夏热冬冷地区外保温墙体设置空气层可有效降低夏季墙体内部保温层相对湿度；而隔汽层在降低夏季墙体内部相对湿度的同时,会显著提高冬季墙体内部相对湿度,其在此地区的综合防结露效果不佳.

3) 在夏热冬冷地区冬夏季工况下,对于外保温墙体,空气层防结露措施的综合防结露效果优于隔汽层防结露措施.此外,当采取空气层防结露措施时,宜设置在保温层与基层交界面处(界面2),不宜设置在保温层外侧(界面1).