为了更好的对岩棉薄抹灰外墙外保温系统的热湿传递进行分析,研究采用了德国Fraunhofer建筑物理研究所的WUFI软件进行模拟分析.WUFI是一款以HAM模型为理论基础,并经过长期实践观测和校验修正的经典热湿耦合模拟计算软件.WUFI满足EN15026-2007和ASHRAE Standard 160-2009的计算方法和要求,并通过了相关标准的基准验证计算比对.软件以温度和相对湿度为驱动势.

WUFI可以按围护结构的实际构造对墙体进行分层设置,各层均可以独立设置该层的材料热、湿物性参数和厚度,设定完后可根据建筑特点设定构造的朝向和高度.本研究所用构造层依次为5mm抹面层、120 mm保温层(岩棉、或EPS)、5 mm粘接层、200 mm混凝土基墙,模型为南向外墙(垂直),高度为20 m以上.同时,WFUI在热湿耦合计算中以温度和相对湿度为迁移驱动势,因此各层材料的热湿特性参数,除材料的密度、孔隙率、比热等基本参数外,其余动态热湿参数如:材料的等温吸放湿曲线,液态水的传导系数、蒸汽渗透系数、温度作用下的导热系数变化曲线、温度作用下的导热系数变化曲线,焓随温度的变化曲线等动态参数均以温、湿度的函数表达式体现.考虑到目前国内尚缺乏可以直接应用的外保温系统的体系性热湿物性参数,因此本文在材料的热湿物性参数方面,直接选用了WUFI自带材料数据库中的物性参数及特性^[18].

边界条件与初始含湿量的设定值,主要是依据国家建筑工程质量监督检验中心多年的工程材料测试为主提出的,部分参数参考了WUFI软件的默认设置,具体设定详见表2、图3^[19-20].

表2 典型边界条件
Tab.2 Typical boundary conditions

表3 初始含湿量
Tab.3 Initial moisture content

WUFI的气象参数数据库中给出了主要城市的典型气象年的逐时温度、相对湿度、降雨、风速、太阳辐射,并对全年最高、最低以及平均温度和年均湿度、总降雨量进行了统计.本研究选择了WUFI气象参数数据库中的北京作为典型城市.模拟的计算周期为10 a.

无论是控制保温材料内部发生的水蒸气凝结,还是外墙外保温系统标准中主要控制抹面层内测不结露,这种一维稳态水蒸气的计算方法均只考虑了抹面层的水蒸气渗透阻,并未涉及其液态水的传递性能进行.为此,本研究分别模拟分析了作为岩棉薄抹灰外保温系统抹面层透汽不吸水(抹面层吸水系数A为0 kg/m2s^0.5,SD=1.2)和正常情况下(抹面层A为0.1 kg/m²s^0.5,SD=1.2)系统内各个构造层的含湿量,并与EPS薄抹灰外保温系统(混凝土基墙)正常情况下(抹面层A为0.1 kg/m²s^0.5,SD=1.2)进行了对比分析.

首先,通过改变系统抹面层的吸水系数,在其他边界条件均一致的条件下,系统抹面层的含湿量发生了较大幅度的改变.当抹面层吸水系数A 为0 kg/m²s^0.5时,抹面层最大含湿量不超过20 kg/m³,如图1.而当吸水系数调整为0.1时,抹面层的最大含湿量可达到近400 kg/m³,如图2,为抹面层不吸水时的20倍之多.同时,进行反向验证模拟分析.当其它所有参数不变的情况下,将对抹面层水蒸气传递的核心参数SD值(水蒸气渗透阻比)进行修改,将SD值设定为12时(相当于抹面层渗透阻增大10倍),抹面层的含湿量也没有明显的变化,如图3.

图1 岩棉薄抹灰外保温系统抹面层含湿量(A=0 kg/m2s0.5,SD=1.2)
Fig.1 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS(A=0 kg/m2s0.5, SD=1.2)

图2 岩棉薄抹灰外保温系统抹面层含湿量(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)
Fig.2 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)

在此基础上,进一步上述模拟结果将与EPS薄抹灰外保温系统(混凝土基墙)正常情况下(抹面层A为0.1 kg/m²s^0.5,SD=1.2)进行了对比分析,比对结果见表4.

图3 岩棉薄抹灰外保温系统抹面层含湿量(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=12)
Fig.3 Moisture content of protecting coat in stone wool ETICS(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=12)

表4 初始含湿量
Tab.4 Initial moisture content

可见,与传统的水蒸气计算模型相比,在热湿耦合计算当中抹面层的液态水吸收系数对该层和保温材料的含湿量影响巨大(抹面层最大含湿量增大近20倍),对基墙的含湿量也有较大程度的影响.即HAM模型分析中液态水(降雨)对系统含湿量的影响远大于水蒸气(空气相对湿度)的影响.这点与在稳定条件下纯蒸汽扩散模型有着较大的差别.因此,建议根据降水量,尤其是在降水较多地区,除对岩棉薄抹灰系统的水蒸气渗透阻提出要求外,还应增加对系统抹面层吸水性能的要求,以控制系统内的含湿量.

通过表3岩棉系统与EPS系统的比对可以发现,由于岩棉自身的湿阻因子仅为聚苯板的1/30左右,因此当采用与EPS系统湿物理性质相似的抹面胶浆会导致保温材料和混凝土基墙含湿量的增加,这些都可能会导致采用该系统的围护结构内表面产生结露或者发霉.为此,本研究利用WUFI软件进行了内表面温湿度模拟分析,并根据WUFI给出了发霉结露的温湿度控制曲线进行分析判断.该曲线是基于德国Fraunhofer建筑物理研究所的大量工程研究与理论分析得到的,在图中虚线以上部分出现的温湿度分布点,是有可能造成系统内表面的发霉结露的温湿度点.

可以看到,当抹面层不吸水时,系统内表面没有任何结露和发霉的危险,但当系统的抹面层改为常规抹面层的吸水系数0.1时,系统内表面在热湿耦合的作用下,系统墙体内表面温度和湿度分布规律与之前有了较大的变化,有可能出现大面的结露和发霉.如图4～5所示.对于EPS系统而言,由于EPS本身的水蒸气渗透阻很大,因此抹面层的吸水性对混凝土基墙的含湿量影响较小,因此,同样也不存在结露或发霉的危险,如图6.

图4 岩棉薄抹灰外保温系统内表面温湿度统计(A=0 kg/m2s0.5,SD=1.2)
Fig.4 Temperture and RH statistics for the inner surface of stone wool ETICS(A=0 kg/m2s0.5,SD=1.2)

图5 岩棉薄抹灰外保温系统内表面温湿度统计(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)
Fig.5 Temperture and RH statistics for the inner surface of stone wool ETICS(A=0.1 kg/m2s0.5,SD=1.2)

图6 EPS薄抹灰外保温系统内表面温湿度统计
Fig.6 Temperture and RH statistics for the inner surface of EPS ETICS

由此可以发现,EPS作为传统外保温系统,尽管采用薄抹灰系统的构造做法和配套材料,但其围护结构的内表面不存在发霉和结露的危险.但岩棉薄抹灰外墙外保温系统作为新兴的系统,如果依然采用与EPS相同的指标和配套材料,采用Glaser法的思路不对抹面层的液态水吸水系数做指标要求,不仅会导致系统内部各个材料的含湿量大幅增加,对外保温系统的耐久性造成影响,还有可能导致基墙的内表面即室内侧出现结露和发霉,降低了室内环境卫生品质.