我国不同气候区典型外墙的热湿迁移特性及霉菌生长风险评估*

上海建科集团股份有限公司 章重洋 李景广 陆津龙同济大学 高 军 陈玉卿

0 引言

建筑围护结构是连接室内外环境的主要部件，其热工性能对建筑节能有重要影响。据统计，围护结构产生的能耗约占供暖及空调能耗的20%～50%(夏热冬暖地区约为20%，夏热冬冷地区约为35%，寒冷地区约为40%，严寒地区约为50%)[1]。在我国湿热地区，室内外温湿度差异会导致围护结构发生强烈的热湿迁移。墙体内部的湿累积会降低外墙热阻，增加建筑能耗(增加比例高达4%～10%[2])。另外，墙体内部冷凝、内表面结露、内表面湿度过高会为霉菌的滋生提供有利条件，继而产生大量微生物有机挥发物(MVOC)、导致不良建筑物综合征(SBS)[3-6]，影响室内人员身心健康。因此，研究围护结构热湿迁移现象，有助于理解围护结构内部热湿迁移机理，对于提升建筑围护结构设计水平、降低建筑能耗、提高室内空气质量具有重大的现实意义和社会效益[7-8]。

我国关于民用建筑围护结构的防潮设计依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[9]，其中第7.1.3条指出：目前我国缺乏必要的材料湿物性参数，工程上依旧采用稳态纯蒸汽扩散模型——Glaser模型进行外墙的防潮设计[10]。但该模型存在以下几个方面的不足：第一，该模型忽视了多孔介质内部的热湿累积、热湿耦合及液态水扩散，只考虑材料内部的一维水蒸气扩散，从理论上讲，没有完全反映材料内部的湿迁移机理。第二，稳态计算方法无法获得建筑围护结构中热湿迁移的动态变化特性，容易高估或低估墙体内部的结露风险。第三，围护结构中霉菌的滋生过程具有时间特性，与墙体内部或表面的温湿度动态变化过程密切相关，基于Glaser模型无法进一步评估围护结构中的霉菌滋生风险。根据Glaser模型，即使保证墙体不结露，若墙体内部或内表面长时间处于高湿状态，还是会引发霉菌滋生。因此，按照目前规定，即便墙体设计满足GB 50176—2016的要求，仍然不能完全避免霉菌滋生。

目前不少国内学者对建筑外墙的热湿传递及霉菌生长风险展开了研究。如郭兴国等人基于热湿迁移模型研究了湿热气候地区木结构墙体的霉菌滋生情况[11]。于水等人分析了我国严寒地区地下室外墙壁面热湿特性与霉菌污染之间的联系[12]。陈国杰等人以红砖墙体为例，建立了温湿度驱动的热湿传递模型，探究了我国南方地区室外气象因素对霉菌滋生的影响[13]。李念平等人模拟了长沙地区普通砖墙表面霉菌孢子的萌发特性，并探究了砖墙表面发霉状况与季节的相关性[14]。陈玉卿等人对围护结构霉菌种类识别及生长风险展开了研究，对上海市典型围护结构(混凝土聚苯乙烯外保温墙体)的霉菌生长风险进行了计算分析[15]。上述工作侧重于某一类型墙体表面的霉菌生长风险研究，而关于不同气候区、不同类型墙体的霉菌生长风险及对比研究较少。我国幅员辽阔，南北跨度大，建筑气候分为5个气候区(严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区)，按照建筑标准设计图集09J908-3《建筑围护结构节能工程做法及数据》[16]，不同气候区建筑的外墙结构具有较大的差异，墙体内部热湿迁移特性和霉菌生长风险也各不相同。研究不同气候区外墙的热湿传递特性及霉菌生长风险对建筑节能、防潮防霉至关重要。本文选取我国5个气候区的5个代表城市沈阳、北京、上海、福州和昆明，按照建筑节能要求确定外墙结构，采用动态热湿耦合模拟软件WUFI Pro 6.2，研究外墙的热湿传递特性及内表面霉菌生长风险，为进一步优化外墙性能提供指导。

1 研究方法

近20年，研究人员开发了大量的热湿耦合模型用于研究材料中的热湿传递过程，其中多数面向高校及科研院所，市场上公开发布的少数热湿耦合模拟软件如DELPHIN、WUFI、HygIRC、MATCH和MOIST等已在欧洲普遍使用。目前DELPHIN和WUFI通过了BS EN 15026:2007[17]提供的标准试验测试，并已在建筑领域成功应用。本研究选择WUFI Pro 6.2软件研究我国建筑外墙的热湿传递特性及霉菌生长风险，该软件基于Künzel提出的传热传湿动态平衡方程[18]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中cm为材料的比热容，J/(kg·K)；ρm为材料的密度，kg/m3；cw为水的比热容，J/(kg·K)；w为体积含湿量，kg/m3；T为材料温度，K；t为时间，s；λ为导热系数，W/(m·K)；he为水的蒸发潜热，kJ/kg；δ0为空气中水蒸气的渗透系数，kg/(m·s·Pa)；μ为水蒸气阻力系数；φ为相对湿度；pv,sat为饱和蒸气压，Pa；x为材料厚度，m；Dw为液态水扩散系数，m2/s。

利用数值离散迭代计算方法可以求解以上偏微分方程组。

影响数值模拟结果的主要因素包括材料物性参数、边界条件、初始条件、计算时长等，本研究中外墙材料物性参数根据已有的实验测试结果设定，5个代表城市当地的逐时气象数据从Meteonorm 7.1.3软件[19]中获得，城市相关信息如表1所示。

表1 5个气候区代表城市信息

模拟工况中室内边界条件依据BS EN 15026:2007[17]设置为高湿负荷，外墙材料的初始相对湿度和温度分别设定为80%和20 ℃，计算时段从当年10月1日至第5年10月1日。

依据09J908-3《建筑围护结构节能工程做法及数据》[16]，5个不同气候区(5个代表城市)常用外墙类型如表2所示。保温类型包括外保温、内保温、内外组合保温；主体材料主要有2种：钢筋混凝土(CON)和加气混凝土(AAC)；保温材料包括聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)、聚氨酯泡沫塑料(PU)和保温砂浆(MO)，模拟过程中保温材料的厚度依据图集推荐的最小及最大值设定，如表2所示。表2中共计44种外墙类型(沈阳12种，北京12种，上海14种，福州3种，昆明3种)，分别对44种外墙进行热湿传递及霉菌生长风险模拟。

表2 我国不同气候区常用外墙类型和计算工况

不同保温形式外墙的构造方式如表3所示。表中外墙的左壁面靠近室外侧，代表外墙外表面；右壁面靠近室内侧，表示外墙内表面。根据外墙构造方式在WUFI Pro 6.2中选择相应的材料建立计算模型并划分网格。

表3 外墙构造方式

为便于讨论，这里将不同构造方式的外墙统一简写为W[#1#2、#3#4、#5]，其中W代表选择的城市(Y-沈阳，B-北京，H-上海，F-福州，K-昆明)，#1为主体材料厚度，#2为主体材料种类，#3为保温材料厚度，#4为保温材料种类，#5为保温类型。例如，上海200 mm厚钢筋混凝土墙、25 mm厚EPS外保温记作H[200CON、25EPS、外保温]。

2 外墙热湿传递特性

2.1 热流及湿流

本文计算了5 a内通过墙体内、外表面的热量和湿量(热流及湿流关于时间的积分值)，对比了不同外墙的性能，为不同地区建筑物外墙的节能效果评估提供直观的判断依据。计算结果如图1和图2所示，其中，热量或湿量通过墙体表面由外向内传递为正值，反之则为负值；内外表面的差值为通过墙体的净热量或净湿量，正值表示墙体发生热或湿累积。

图1 不同气候区代表城市外墙传递热量

图2 不同气候区代表城市外墙传递湿量

在不同气候区，增加外保温材料的厚度能有效降低墙体表面的传热量，提高墙体的保温性能。由于AAC材料的导热系数(0.15 W/(m·K))低于CON材料(1.741 W/(m·K))，因此，当保温形式、保温材料种类及厚度相同时，AAC墙体的保温性能要优于CON墙体，例如H[200CON、30EPS、外保温]的外侧传热量高达937.52 MJ/m2，而H[200AAC、30EPS、外保温]的外侧传热量只有417.72 MJ/m2。对于同种保温材料，在达到相同保温效果时AAC墙体所需的保温材料厚度小于CON墙体；同时，由于保温材料EPS、XPS、PU的导热系数依次降低，达到相同保温效果时所需的保温材料厚度也依次降低。根据模拟结果，标准设计图集提供的外墙设计方案中，福州和昆明采用的保温砂浆内外保温墙体(F[200CON、10MO、内外组合保温]，K[200CON、10MO、内外组合保温])的热量损失较大，该地区考虑进一步提高建筑节能效果时，应减少使用该墙体形式。利用热湿耦合模拟技术能够定量比较不同外墙设计方案的节能效果，为建筑外墙节能设计提供指导。

各城市不同外墙运行5 a后通过内外表面的总湿量及墙体净湿量如图2所示，模拟结果表明，通过所有外墙的净湿量均小于零，因而建筑标准设计图集提供的不同气候区外墙运行5 a后不发生湿累积。对于AAC墙体，沈阳、北京、上海3个城市各种类型外墙的内、外表面传递的湿量均为负值，即内表面从室内吸湿经由外表面传递至室外，且外表面流向室外的总湿量均大于内表面吸收的总湿量，墙体整体处于放湿状态。对于CON墙体，沈阳、北京、上海、福州4个城市各种类型外墙总体处于放湿过程，但内表面的传湿量均为正值，即外墙向室内传湿，增加室内湿负荷。因此，相比之下，AAC墙体的吸湿性能较好，对室内高湿负荷有一定的调节作用。

对于昆明地区，采用与上海、福州地区相同的CON外墙时，与上海、福州的情况相反，其内表面的总湿量均为负值，即室内空气向墙体传湿；同样地，采用与福州相同的混凝土保温砂浆内外组合保温墙体时，与福州的情况相反，其内表面的总湿量均为负值，即室内空气向墙体传湿。以上2点表明，昆明地区采用图集推荐的外墙时室内湿度水平较高。因此相较于其他地区，昆明采用图集中推荐的2类外墙时，内表面霉菌生长风险会偏高。

6种材料的传热能力由高到低排序为：CON>AAC>MO>EPS>XPS>PU；传湿能力由高到低排序为：AAC>PU>EPS>CON>MO>XPS。AAC的保温性能及传湿性能都要好于CON，因此冬季AAC墙体内部发生凝结的风险较低；此外，AAC具有较好的传湿能力，吸放湿速度较快，能够有效避免湿累积。对于保温要求较高的气候区，AAC也具有良好的适应性。

2.2 外墙总体含水量

对于组成墙体的多孔材料来说，其导热系数和含水量有较大关系，材料的保温性能随含水量的增加而急剧降低，增加建筑能耗。图3给出了不同城市墙体总体含水量的变化。由图3a可以看出：不同城市的CON外墙在运行5 a期间，含水量在每年冬季会出现短暂的上升，但总体呈现逐年递减趋势，前3 a下降趋势较快，3 a后逐渐趋于稳定，表明CON外墙初始含水量偏高导致墙体干燥缓慢；不同气候区的代表城市对比发现，墙体内含水量受当地气象条件影响较大，高温高湿的福州地区CON外墙含水量高于其他城市，上海、昆明、北京和沈阳CON外墙含水量依次降低，北京和沈阳均属于低温低湿气候，总体水平相差不大。

图3b给出了沈阳、北京、上海使用AAC外墙时，运行5 a墙体的含水量变化趋势。AAC外墙的含水量由初始状态经过1 a后就过渡到稳定变化状态，这与AAC墙体吸放湿性能较好相关。

图4～6分别比较了沈阳、北京和上海3个地区不同保温材料(EPS、XPS、PU)及不同保温厚度对混凝土外墙含水量的影响。3个地区的结果均表明：XPS的传湿性能较差，导致墙体干燥速度较慢，墙体内含水量最高；EPS和PU的传湿性能相差不大，墙体内含水量水平相当。由图6a可以看出，随着保温材料厚度增加，上海地区外保温外墙含水量有所降低，尤其是PU保温材料降低较为明显；沈阳和北京地区显示的结果恰好相反(如图4a、5a所示)。对于不同主体材料的墙体，含水量差异更加显著，3个城市中CON墙体的含水量均远高于AAC墙体(如图4b、5b、6b所示)。从2种主体材料构成的外墙的含水量变化来看，墙体都不发生湿累积，处于安全状态。

3 不同地区霉菌生长风险预测结果

本文在预测霉菌生长风险方面采用Sedlbauer提出的生物热湿模型和等值线模型[20]，得到墙体内表面霉菌生长率指标，该指标能够比较不同情况下霉菌生长风险大小，但无法直接描述霉菌生长的视觉感官情况。为了能够直观反映霉菌生长的宏观结果，本文采用VTT模型[21]中的霉菌指数指标进行分析，如表4所示，0～6分别代表不同的墙体发霉程度。Krus等人对32个不同气候区城市、不同围护结构形式共计350个案例进行了计算和实验，给出了霉菌指数和霉菌生长率之间的转换关系拟合曲线[22]，如图7所示。根据该拟合曲线可以将霉菌生长率转化为霉菌指数，进而从2个角度去评价墙体的霉菌生长情况。

表4 不同霉菌指数的霉菌覆盖率

图7 霉菌生长率与霉菌指数函数关系

图8和图9分别给出了第一年墙体内表面霉菌生长率(菌丝长度年生长量)及霉菌指数的模拟结果。沈阳、北京、上海地区不同类型外墙的最大霉菌生长速率小于20 mm/a，霉菌指数小于0.1。而福州和昆明地区，尤其是采用轻质保温砂浆内外组合保温的CON墙体内表面，如K[200CON、10MO、内外组合保温]，霉菌生长速率高达117 mm/a，相应的霉菌指数为0.8，此时已有少量的霉菌产生，有影响人体健康的危险。在温湿度水平偏高地区，为减小霉菌生长带来的危害，应尽量减少选用混凝土保温砂浆内外组合保温形式。另外，由图8和图9中不同保温材料厚度的外墙内表面霉菌生长风险比较可以看出，通过增加保温层厚度可有效降低霉菌生长率，降低霉菌指数，即增强外墙的保温性能可以有效降低内表面霉菌生长风险。

图8 不同气候区代表城市外墙内表面霉菌生长率

图9 不同气候区代表城市外墙内表面霉菌指数

研究表明，湿度是影响霉菌生长的重要因素[14,23-24]，不同气候区墙体内表面湿度变化是影响霉菌生长率和霉菌指数的关键参数。图10给出了不同气候区中内表面霉菌生长风险最高的外墙类型(Y[200CON、55EPS、外保温]、B[200CON、55EPS、外保温]、H[200CON、20XPS、外保温]、F[200CON、10MO、内外组合保温]、K[200CON、10MO、内外组合保温])运行5 a内的内表面湿度变化情况，可以看出福州(F[200CON、10MO、内外组合保温])和昆明(K[200CON、10MO、内外组合保温])外墙内表面湿度水平高于其他地区，是导致内表面霉菌生长风险较高的主要原因。

图10 不同气候区外墙内表面相对湿度随墙体运行时间的变化

4 结论

1) 国家建筑标准设计图集09J908-3中推荐的外墙类型基本能够满足不同气候区节能和不发生湿累积的要求，昆明地区采用混凝土保温砂浆内外组合保温外墙节能效果较差。

2) AAC墙体具有较好的保温性能和吸湿性能，在不同气候区都具有良好的适应性；结构强度较大的CON墙体保温性能和吸放湿性能相对较差，墙体干燥过程较慢，容易对室内造成过多的湿负荷。

3) 建筑标准设计图集推荐的我国北方和中部地区(沈阳、北京、上海)外墙的内表面霉菌生长风险较低；但南方(福州和昆明)地区采用混凝土保温砂浆内外组合保温墙体内表面霉菌生长风险相对较高；采用AAC外保温墙体、增加保温层厚度能有效降低霉菌生长风险。对于墙体内部保温材料与主体材料界面处霉菌生长风险及不同结构热桥的霉菌生长风险情况还需要进一步研究。