考虑蒸汽渗透的建筑围护材料耐候性检测设备研究

单 波，刘会华，张素丽，苏小顺

（建科环能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

“十四五”时期，降碳成为生态文明建设的重点方向，降碳协同增效对实现生态环境质量的大幅改善非常关键。在建筑行业中，建筑节能是非常重要的低碳措施，而建筑中围护结构也在不断应用新型建筑材料提高热工性能减少传热。不同的地域，由于气候条件的差异，湿迁移对围护结构传热系数有不同的影响［1］，而为了在实验室便捷得到数据，需要给所测试件模拟不同的气候条件测量围护结构的蒸汽渗透量，通过准确的数据来验证对围护材料传热的影响。

建筑围护结构中多采用多孔介质材料，较多的孔隙使湿空气、液态水甚至固体冰存于其中，传湿方式复杂多样，包括仅由蒸汽分压力引起的蒸汽渗透，由温度差引起的水蒸汽迁移，在冷凝区还存在饱和水蒸汽及液态水的迁移问题，计算十分复杂［2］。

在只考虑空气渗透的稳态条件下，通过围护结构的水蒸汽渗透过程（见图1）的计算公式如式（1）所示。

图1 围护结构的蒸汽渗透

式中：ω为水蒸汽渗透强度，g/（m2·h）；ei为室内的水蒸汽分压力，Pa；ee为室外的水蒸汽分压力，Pa；H0为围护结构总水蒸汽渗透阻，（m2·h·Pa）/g，如式（2）所示。

式中：dn为围护结构中的一种材料层的厚度，m；μ为材料的蒸汽渗透系数，g/（m·h·Pa）也可以通过各种数学模型和软件计算。如《建筑热湿耦合模型在不同气候条件下的应用评价》［3］中选取了 3 个较为典型的气候，使对象模型（CTF传递函数模型、HAMT 热湿耦合传递模型、EMPT 有效湿渗透深度模型）分别在这 3 种气候条件（湿热、温和、干热）下进行模拟计算并比较各模型在不同气候下的最佳适用性；还有通过建立墙体湿热传递模型，利用 CHAMPS 热湿传递计算软件对新建墙从建成到湿稳定过程这段时间内墙体含湿量的衰减进行了模拟计算［4］。也有采用理论动态湿热耦合计算分析围护结构与湿相关的因素变化对热的影响，动态湿热耦合依据 EN15062［5］进行计算，计算时假定热流与湿流沿一维方向在围护结构的多层材料之间传递并进行逐时湿热耦合计算，可计算出通过单位面积墙体的热流，在传热和蒸汽渗透过程中产生或消耗的潜热［6］。材料的蒸汽渗透理论研究较多。

关于蒸汽渗透测试的设备，有可控式控温墙体热湿耦合试验台［7］等，通过控制砌块墙体两侧恒温恒湿箱的温湿度，使墙体处于温湿度不同的工况下，测得墙体的平均传热系数以及温度场和湿度场，分析墙体两侧温度变化对湿度传递的影响。该设备测试研究的重点放到了湿热传递对传热系数的影响。

可以看出，蒸汽渗透方面的研究理论多，实际测量少，实际测量需要得到重视。

为了得到围护结构不同气候条件下蒸汽渗透测量数据，可以模拟不同的气候条件，围护结构所需的气候条件可以参考 GB/T 29906－2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》［8］、JG/T 158－2013《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》［9］和 JGJ 144－2019《外墙外保温工程技术》［10］等标准。设备可参考笔者曾开发过的外墙外保温系统耐候性检测设备［11］，该设备可以做热雨循环、热冷循环、冻融循环等试验。蒸汽渗透的测量可以参考 GB/T 17146－2015《建筑材料及其制品水蒸气透过性能试验方法》［12］，采用其工作原理将试件密封在不同湿度的两个环境箱中间，组成测试组件。由于试件两侧的湿度不同，湿流会流经试件，定期称量干燥一侧干燥剂的质量，当其质量变化率稳定后，就可通过采集的数据和简单计算得围护材料试件蒸汽渗透的各种数据。

综上所述，国内考虑蒸汽渗透的建筑围护材料耐候性检测几乎没有，蒸汽渗透研究多采用模型计算，所以开发考虑蒸汽渗透的围护材料耐候性检测设备是非常有必要。本文参考 GB/T 35169－2017 的测试原理和耐候性检测的一系列标准，开发了可以检测围护结构整体的蒸汽渗透量，并同时可以进行耐候性检测的设备。本文基于考虑蒸汽渗透的建筑围护材料耐候性检测设备研究，通过模拟室外环境做耐候性试验，同时也可以模拟室内外湿度梯度，监测湿气在围护系统中的传输过程，传输质量，研究分析湿气传输机理和传输特征，为进一步提出围护结构不同气候条件下的蒸汽渗透奠定研究基础。

建筑围护材料耐候性检测设备［13］采用 PLC 自动控制，分别由室内环境试验箱、室外环境试验箱和试件框组成。室内环境试验箱为常温，温湿度可控；室外环境试验箱则模拟了恶劣的自然环境。试件安装在试件框内，两侧为室内室外环境试验箱，可以对各建筑外表面的系统进行反复性老化试验和试件含湿量变化的测量。同时室内、室外环境箱可以控制不同的温度和湿度，并有专门的湿气收集装置。该设备利用模拟测试平台进行复杂环境因素耦合设计，在复杂环境因素耦合作用下进行围护材料耐候性模拟测试试验，研究围护材料耐候性及蒸汽渗透的变化，用于细节的研究和实践论证。

1 检测方法研究

传统的耐候性检测主要有热雨试验、热冷试验、冻融试验，而参考蒸汽渗透的耐候性试验增加了湿度在建筑围护材料内的湿度变化的检测，可测得不同围护材料蒸汽渗透量的质量大小，从而给理论研究据提供基础。

1.1 传统的耐候性试验

传统的耐候性试验所测试件为混凝土基墙上装有的外保温系统，基墙面积＞6m2。主要做三种试验（在各种室外环境情况下），热雨试验、热冷试验、冻融试验（见图2）。

图2 三种耐候试验的曲线图

热雨循环 80 次：每个周期为 6 h，分为加热阶段 1 h，恒热阶段 2 h，淋雨阶段 1 h（喷水量 1.0 L/（min·m2），常温阶段 2 h。热雨循环后，静置 2 d。

热冷循环 20 次：每个周期 24 h，分为加热阶段 1 h，恒温阶段 7 h，降温阶段 2 h，恒低温阶段 14 h。热冷循环后，静置 2 d。

冻融循环 25 次：每个周期 8 h。分为淋雨阶段 1 h，常温保持 1 h，降温阶段 1 h，恒低温阶段 4 h，生温 0.5 h，常温静置 0.5 h 且相对湿度不低于 80 %。

蒸汽渗透试验需要对定型的小试件材料单独进行检测。

1.2 考虑蒸汽渗透的耐候性试验检测

考虑蒸汽渗透的耐候性试验检测，与传统耐候试验检测相比较有以下几点变化。

①室外环境箱模拟室外环境提供了更加丰富的气候条件，在保持热雨、热冷、冻融原有三种试验的情况下，通过分别增减各阶段温度、湿度、淋雨量的大小，同时增减各试验阶段的试验时间，可以使耐候性的试验条件更加多样化；②室内环境箱提供稳定的温湿度条件，使不同材料的蒸汽渗透对比更有可比性；③检测的外保温系统试件换成 1 m2的围护材料试件（见图3），固定在室内环境箱和室外环境箱中间。围护材料内部添加预埋传感器，可以时时监控建筑围护材料内部湿度的变化；整体试件也方便采用热流计法测试围护结构传热系数，分析蒸汽渗透对热传递的影响；④增加了蒸汽渗透量的测量和露点的测量，蒸汽渗透的测试可以在各种模拟的气候条件下完成，也可以得到试件在耐候试验前后的蒸汽渗透量的变化，并且各种测试都可以在同一组试件上进行检测，不用分开测试。

图3 试件车及围护材料试件

1.2.1 建筑围护试件的安装

建筑围护材料砌在试件车的试件框内（见图3），试件框中间为 1 m×1 m 的方框，进深 0.4 m，试件车其中一侧有一个方形观测孔，可引入 6 只温湿度传感器分别砌在试件内不同位置，在实验过程中可以把定制的温湿度传感器一只一只砌入试件中，注意每砌入一只，要干燥放置一段时间，直到湿度变小。这些传感器可以实时监控围护材料内不同位置的温度和湿度变化。不仅在试验阶段，在养护阶段也可以观察围护材料内温湿度的变化。

1.2.2 蒸汽渗透量的计量

试件密封在室内环境箱和室外环境箱中间，除了做耐候性试验，也可以做蒸汽渗透的试验。做蒸汽渗透试验时，方形不锈钢水分收集箱（见图4）可以内嵌在室外环境箱内，箱体内水平放一个高精度电子秤，精度为 0.01 g，内放置一个通风小盒，里面放置稳定的吸水材料（如 3a 分子筛）可收集水分，把试件箱室外侧扣在不锈钢箱上，密封并与室外环境箱卡紧。把室内环境箱设定为高湿环境，室外环境箱设为低湿环境，工作开始后时时采集电子秤数据，数据时时更新，可以通过采集的各个参数，当电子秤在单位时间内重量的变化趋于稳定，可以计算出蒸汽渗透量的变化情况。水分收集箱也可以内嵌在室内环境箱内，测试方法类似。

图4 湿度水分收集系统

1.2.3 蒸汽渗透的计算方法

试验设备的水分采集箱内部长×宽×厚为 1 m× 1 m×0.4 m，面积为 1 m2，内部体积为 0.4 m3。围护材料的厚度，大气压力值也需要做好记录（见图5）。实验中室内和室外环境箱、水分采集箱以及试件内的 6 组传感器的温度值、湿度值时时记录，如水分采集箱内温度恒定在 23 ℃±0.5 ℃，在室外和室内环境箱常压恒温情况下，工作几天后，通过电子秤称量的变化与计算可以得到蒸汽渗透的变化，如式（3）所示。

式中：ωφ为单位时间内蒸汽渗透水分的重量，g/（m2·h）；mo为蒸汽渗透试验结束后干燥剂的重量，g；mi为蒸汽渗透试验开始前干时燥剂的重量，g；md为所选第 1 时间点水分采集箱内的绝对湿度重量减去所选第 2 时间点的绝对湿度重量的差值（由于采集箱体积固定，湿度温度时时测量，可以通过相对湿度的计算公式反推得到不同时间点的绝度湿度质量），g；Δt为所选时间段的差值，h；A 为试件面积，m2。

从上面的公式中可以得到不同时间段的蒸汽渗透质量，当连续几个时间段的计算重量都比较接近即渗透率稳定，试验可以结束。所测数据体现在不同耐候条件下或耐候试验前后各种围护材料的蒸汽渗透情况。实际测量的值与理论计算的值相互验证，通过对比，可以不断的改进和修正测试方法，同时完善理论计算结果。

本设备中露点温度的测量对了解围护材料渗透情况起到辅助作用，从中可以间接了解空气中湿度的变化情况。试验中如室外环境箱的温度远低于室内环境箱的温度，围护材料试件的内表面的温度一般就会低于室内环境箱的空气温度，当内表面温度低于室内环境箱中空气露点温度时，空气中的水蒸气就会在内表面凝结。因此，检验围护材料的内表面是否结露主要依据其温度是否低于露点温度，可以知道传湿过程是否在结露状态下进行，对蒸汽渗透研究有一定的帮助。

2 设备研发

2.1 设备介绍

建筑围护材料耐候性检测设备由室外环境箱模拟系统、室内环境箱模拟系统、试件框架系统、传湿重量采集系统（安装在试件框内部）组成。

每个系统内各工作单元协调合作，各系统内根据要求含有控湿、控温、淋雨、称重等功能，数据时时采集并做好记录处理。

室外环境箱模拟系统模拟周期变化的恶劣自然环境，由制冷机组、加热箱体、恒温水箱及喷淋、转轮除湿和雾化器组成，温度在 -25～75 ℃ 区间控制，湿度 0 % 到 90 % 可调，水流量 1.0～1.5 L/m2·min，可测温度、流量、湿度、露点温度。

室内模环境箱模拟系统模拟室内环境，由除湿、加湿，全直流变频空调组成（精度在 0.1 ℃），温度在20～30 ℃可调，湿度 30 %～100 % 可控。可测露点温度、温度、湿度（见图6）。

图6 设备实际外形图

试件车上配有试件框用来装卡试件用，载重 2 吨，采用轮式支撑移动，底部四底角边装配有四个承重轮，中间特别增加了一个轮子，使试件在较大载重的情况下，移动灵活，便于操作。试件车室内侧面与室内环境箱对接，室外侧与室外环境箱连接，通过胶条和装夹装置卡紧密封。

同时设备有六组特制温湿度传感器，可以填埋在试件基墙的各个层面，观测试件在各种条件下湿度的变化情况，并可以在室外环境箱嵌入水分采集箱，采集箱内配有高精度水分测量仪，在一定的温湿度下称量高湿往低湿的传湿重量。

软件部分采用 PLC 和触摸屏，主要实现对监测的数据的采集，处理以及控制运行等功能。软件包括不同的控制界面如主控界面、参数设置、时时曲线和时时数据等。时时采集及记录各种参数并有自校功能、断电数据存储功能、断电工作状态记录功能，多项报警及保护功能。与电子秤的通讯采用 RS-485。

2.2 设备特点

2.2.1 节能性

1）室外室内环境箱箱体采用了双面彩钢板聚氨酯保温材料拼接而成，容重 40 kg，保温材料能较好的保证能量不过多外溢，同时所选材料为 B1 级防火材料，保证设备的安全性。

2）箱体库板通过挂接方式组成，挂接前都要按 S

形打足耐候胶，拼接好后所有缝隙勾缝再打好耐候胶密封，箱体内外连接件采用隔热材料连接，箱体与外部接触面采用 5 mm 塑料板隔离，减少冷桥的产生。

3）冷箱冷源采用单机组双路控冷方式提供。机组高压端配不同的膨胀阀使一个机组在通过不同的膨胀阀时产生不同的冷量，即控制低温时用控制低温 A 膨胀阀（见图7），控制中温时自动切换为控制中温 B 膨胀阀。然后采用 PID 控温方式控制热源，是冷热迅速达到平衡。

图7 单一机组双路膨胀阀

4）控湿和淋雨采用恒温循环系统，保证水的循环利用。

2.2.2 耐用性

1）保温箱体外侧装有完善的钢结构，通过方便快捷的卡式锁紧装置，并配有定制的密封条，使室内和室外环境箱与试件架能有较严密的结合；

2）箱体内部配件主要为铝，铜，不锈钢等材料，使设备能在较恶劣的环境下长久运行；

3）试件车采用 15 mm 的 PU 板做内衬，外部采用钢结构框架，内填充保温材料，保证设备的长久耐用。

2.2.3 智能性

控制系统采用台达 PLC 及触摸屏控制，一键式操作，设置好控制参数，循环次数，点击开始，设备开始运行，完成试验后设备自动停机。另外，软件里提供不同的参数设定，可以根据需求，进行多元化操作。

3 结论

通过对蒸汽渗透建筑围护材料耐候性检测设备的研发所取得的结论如下。

1）论文提出的考虑蒸汽渗透建筑围护材料耐候性测试方法对围护材料的耐久性有影响，国内研发此方面较少，需要加大研发力度。

2）论文提出了一种对建筑围护材料考虑蒸汽渗透的检测方法。

3）研发了一种考虑蒸汽渗透建筑围护材料耐候性检测设备。

论文提出的考虑蒸汽渗透建筑围护材料耐候性测试方法和研发的设备对建筑围护结构耐候性测试和研究有重要意义。Q