丁叶蔚 傅海燕 王 正 曹 瑜

( 南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

木材作为一种更环保、更贴近自然的建筑材料，获得诸多建筑师喜爱[1-2]。木结构建筑在全世界范围内已被证明是节能减排、可持续发展的绿色建筑，近年来，得益于大众的认可和政府的推广[3]，欧洲和北美发达国家的木结构建筑产业呈现快速发展趋势，特别是在应对全球气候变化、倡导绿色环保的新时代，木结构建筑因其造型优美、舒适、低碳等特点备受青睐。典型现代木结构建筑形式有北美的轻型木结构建筑、俄罗斯典型民居木刻楞等，但随着木材加工技术的不断改进，新型重型多高层木建筑已成为目前建筑行业的设计和研究热点。国内外许多建筑类、材料类专家、学者针对重型多高层木建筑的材料、结构、力学性能等进行了多方位、多角度的研究，其中木结构建筑外墙保温及热湿性能是材料学研究的热点之一。鉴于此，本研究通过梳理国内外对木结构建筑外墙保温及热湿性能的研究现状，总结木结构建筑外墙保温最新成果以及木结构建筑热湿耦合传递研究进展，以期为进一步研究木结构墙体热湿传递机理、木结构墙体改性等研究提供参考。

1 木结构建筑外墙保温特性研究

建筑墙体的热量传递是由导热、热对流和热辐射3种基本热传递方式中的一种或几种所组成，其过程见图1。热量首先由室内空气以对流换热和墙体与室内物体间的辐射方式传给墙内表面，再由墙内表面以固体导热方式传递到墙外表面，最后由墙外表面以空气对流换热和墙与周围物体间的辐射方式传递到室外环境。在其他条件稳定不变情况下，建筑物的室内外温度差越大，传递的热量也就越大。墙体传热要经过3个过程：表面吸热、结构本身传热和表面放热，其中表面吸热和表面放热统称为表面换热[4]。建筑墙体冷热面的温度差大小，直接关系到所传递热量的大小，而墙体传热的快慢则由材料的比热容、导热系数等物理性能参数决定。木结构建筑外墙体为复合夹芯墙体，其包含覆面层、结构层、保温层。对于轻型木结构而言，覆面层一般由外挂板、抹灰、防水隔热材料及必要的剪力承担构件木基结构板材和面用石膏板组成；结构层由建筑中承载外力的木框架承担；保温层用保温隔热材料，一般为保温棉或岩棉等保温材料进行框架填充[5]。

近年来，国内外相关专家学者对木结构住宅材料和保温性能开展了一系列的研究。赵勇[6]在外墙保温研究方面分析了轻型木结构建筑墙体不同木龙骨尺寸、间距，保温材料对热物理性能的影响，并采用Dest专业热学分析软件分析木结构住宅的保温性能。孙辰[7]测定了不同保温材料，木龙骨间距，木龙骨尺寸对墙体保温的影响，并用ANSYS模拟测量结果，研究表明：保温材料、木龙骨间距、木龙骨尺寸对墙体的传热系数测试均有影响，ANSYS软件模拟轻型木结构墙体的传热得到的数据表明墙体热流量大小排序为：石膏板＞OSB＞保温板＞木龙骨＞玻璃棉，模拟与实测相关性达到0.9。 Kosny等[8]针对适用于住宅和小型商业建筑的双层墙体、Larsen桁架墙体、最佳或先进的框架墙等4种墙体的保温效果进行研究，结果表明：双层墙体、Larsen桁架墙体具有更为优越的保温效果。袁廷阁[9]以8种不同构造的轻型木结构墙体的保温性能为研究对象，采用热箱-热流计法对8面墙体进行了传热系数测试，分析了保温材料、木龙骨间距、木龙骨尺寸对墙体的及外保温等对轻型木结构墙体保温性能的影响，并将其与理论计算值、ANSYS模拟值进行对比，结果表明：采用交错木龙骨或增大木龙骨间距可提高墙体的保温性能；理论计算值、热箱-热流计实测值与ANSYS模拟值相对误差在10%左右，且相关性高。杨静等[10]利用热流法对一栋瑞典轻型木结构墙体单元和试件的导热系数测量研究，主要包括对其墙体试件传热系数的测定、墙体试件各组成单元导热系数的测定、多层平壁和组合壁导热系数理论计算值与墙体构件传热系数测定值等进行对比与分析，结果表明：用热流法测定的轻型木结构墙体结构的传热系数具有精确、快速等优点；墙体试件的传热系数测定值与理论计算值相近；该轻型木结构墙体主体部分的传热系数均值为0.56 W/（m2·K），轻型木结构具有良好的保温节能特性。之后，杨静等[11]采用建筑围护传热系数现场测试法，对内置两种材质的玻璃保温棉在同一轻型木结构房外墙围护结构进行现场传热系数测定，以此比较墙体保温系数的测试值与理论值，并优选保温棉填充材料，结果表明：墙体内填充材料为玻璃保温棉A的墙体的隔热保温性能优于玻璃保温棉B；对轻型木结构墙体进行传热数值计算，得到各组成材料温度的计算值与测试值具有同向可对比性，因此可用复合材料理论预测木结构热学性能。

图 1 墙体传热原理Fig. 1 The heat transfer principle of wall

2 木结构建筑热湿耦合传递研究

早在19世纪就已出现了针对建筑外墙保温技术的探索，但直到1973年世界石油危机以后，其外墙热湿技术才得以在诸多国家长足发展。近年来，国内外诸多学者针对木结构外墙体保温技术进行了研究，主要集中在建筑吸湿材料中的热量和湿气传递及其与环境空气的相互作用。由于气候、施工等多种原因，木结构建筑内部的热湿传递与剧烈的气温变化引起围护结构内部的温湿度变化（热湿耦合），而热湿耦合效应影响着围护结构的热工性能、建筑节能、室内温湿度[12]。虽然木结构建筑的外保温墙体增加了保温层，基本消除了内表面结露问题，但是水分必然会进入建筑围护结构，引起墙体内积水、保温性能下降、保温材料鼓泡、冻结开裂，严重地影响了墙体的耐久性。基于传热传质理论，国内外学者们提出了各种各样的理论模型和试验技术方法，应用于建筑外围护结构的传热传湿性能分析，取得了一定的研究成果。

2.1 理论模型研究

1977年，Whitaker[13]对墙体内湿积累进行了测量。1985年，Tenwolde[14]对多层复合墙体内水蒸汽迁移进行了一维稳态热湿研究，但未考虑时间的变化对其影响。 Fairey[15]提出了三维热湿研究模型计算建筑构件的吸放湿速率，其研究前提为假设表面材料和周围环境达到瞬态平衡，之后通过求解热传递偏微分方程，确定吸放湿量。1990年，Cunningham[16]采用修正的对流质传递系数数学模型计算吸湿建筑构件的含水率，并对模型进行了验证。他还通过计算得出了单侧壁和双侧壁的有效渗透深度值，结果表明：有效渗透深度与边界层阻力无关。1992年，Tao等[17]建立了一维瞬态热湿传递数学模型，将蒸汽吸收或产生的热量计入能量守恒方程，这使得边界条件的处理变得简捷方便。1993年，Burch[18]建立了一维瞬态热湿传递数学模型，该模型把相变潜热对湿迁移的影响包括在边界条件中。1998年，Stewart[19]等研究了墙体两侧的空气压力差对墙体内侧蒸汽流动的影响。2003年，苏向辉等[20]采用构建模型、建立边界条件和数值计算等方法，完善了多层多孔结构一维瞬态热湿耦合的模拟研究，并在此基础上建立了湿传递过程中瞬态热湿耦合模型，基于有效有限差分法提出了一种在非线性边界条件下预测多层多孔结构传热和湿传递过程的数值方法。2009年，郭兴国等[21]以长沙地区为例，在炎热和潮湿的中国南方地区气候中分析木结构墙体热量和水分的分布，建立了以空气含水量和温度为驱动力的复合墙体一维瞬态热湿耦合传递方程，分析结果表明：玻璃纤维内部会出现凝结问题。2009年，李魁山等[22]利用恒温条件下，不同相对湿度的饱和盐水溶液进行了EPS等6种建筑材料的等温吸湿曲线测定，并对结果进行了误差分析，试验表明：材料在不同相对湿度下的等温吸湿数值可用于围护结构热湿传递的计算。2017年，Colinart等[23]对混凝土进行了恒温恒湿箱实时监测的吸湿实验，其连续多点测量结果与理论计算值相符。以上研究表明，静态法（利用饱和盐溶液进行湿度控制并进行等温吸放湿曲线的绘制）相对湿度点较少，且在称重过程后恢复原始的相对湿度时间较长，但精度较高；而动态法（恒温恒湿箱实时监测）气体压力对湿度传递的影响较大一些，精度也略差。

2.2 数值模拟技术研究

为了便于实际应用和智能化操作，许多研究人员在数值模拟计算的过程中开发一些应用软件，以缩小模拟与设计间的差距。1994年，Burch等[24]借助有限差分法建立热湿传递模型，求解非等温条件下墙体的热湿传递耦合值，由此开发模拟软件MOIST，可用于在不同季节里多层复合墙体结露情况的分析。1994年，Finlayson[25]提出，THERM是利用有限元方法模拟二维稳态传热问题，其模型主要是模拟窗户的热性能。2001年，由橡树岭国家试验室和Fraunhofer建筑物理研究所(IBP)联合开发出的WUFI软件是基于先进的湿热模型开发出的新一代应用软件[26]，它解决了耦合热、水分运输的建筑墙壁和屋面等围护结构系统中的问题。2006年，Esmaeilpour发展了CHAMPS热湿性能分析软件，可用来模拟计算多场耦合。2012年，Karagiozis等[27]利用WUFI Pro 5.0对比了北美及欧洲木结构墙体在湿热性能，采用印第安纳波利斯的气候参数进行了模拟，结果表明，由于聚苯乙烯泡沫（EPS）隔热层的存在，欧洲木结构墙体具有更好的热物性能；但当EPS厚度减少到美国木结构墙体的使用厚度时，欧洲墙体的热物性能较美国墙体差。欧洲墙体的防潮受损性能比美国墙体好，其原因之一是因为EPS具有高的扩散阻力。但是如果水分能够渗透结构，EPS对外墙外保温系统会产生损害。

2014年，Mcclung等[28]在湿热环境下进行了CLT组件的耐久性测试及其仿真模拟研究。该研究组在加拿大安大略南部，利用SPF规格材、CLT等5种木质材料及4组不同安装方式，对其组装的16块规格为600 mm×600 mm的墙体进行了干燥试验。结果表明，1个月内，三组安装呼吸纸的CLT板的含水率值均由月初的30%下降至月末的26%，另一组安装有聚乙烯的CLT板试件1个月内的含水率未变。这表明聚乙烯膜等这种低渗透性材料易造成CLT板干燥缓慢的结果。但当CLT板内外部同时装配呼吸纸等低渗透性材料时，干燥速率会加快。借助WUFI（瞬态热湿迁移)程序，采用随机方法对材料种类、温湿度条件和环境荷载等进行CLT墙体不同深度的耐热湿性仿真模拟，利用模拟值和计算值进行对比分析。结果表明，当CLT板表层含水率MC＜26%时，其耐热湿性模拟值与测试值吻合度高。然而值得一提的是，除了SPF组，其余结构表层中心含水率模拟值均高于测试值5%～10%。这是由于CLT板试件内部的传感器不能及时反映试件外部的相对湿度，使其仿真模拟结果不能有效地反映CLT试件内部的含水率变化。

2015年，Chang等[29]研究认为，现有的建筑结构密闭且自然通风率显著降低，导致很难清除建筑物内的积水后果。尤其在夏天炎热和潮湿的天气是导致室内温湿度增高等问题的主要因素；借助WUFI软件，模拟韩国一整年的天气变化，从中对比了木框架墙和混凝土结构墙体热湿性能、边界和接触条件的影响和长期的含水率性能，从其长期的含水率表现结果得知，混凝土结构平均总含水量约为2.85 kg/m3，明显高于木框架墙；当相对湿度分别为78%和89%时，木框架结构相较于混凝土结构有更大的波动和凝结的风险。

3 展望

近年来，随着我国绿色理念的提出、木结构建筑环保优势的凸显、木结构设计与制造技术的发展、人工林的扩种，以及相关法规与标准的制定等态势，使得我国木结构建筑在景观建筑、公共建筑、住宅建筑中的应用越来越广，市场又渐活跃。由于国内外有关木结构建筑墙体保温及其木结构建筑热湿耦合传递研究的成果层出不穷，因此我国应针对木结构建筑保温的研究也紧跟国际学术研究步伐，着眼于建筑材料、保温材料、墙骨柱间距、墙面缝隙等对墙体保温效果的影响，尤其是国外学者在不断更迭墙体结构表现形式的基础上建立了长期监测的理念，为墙体保温性能的数据输出建立了更为权威性的试验数据库，值得借鉴。这不仅事关为用户提供一个舒适健康及可持续的轻型木结构住房环境，而且将对提高热力学等理论成果在我国轻型木结构建筑的工程应用能力。

为进一步做好我国木结构建筑行业节能设计工作。1）理论计算墙体传热系数，热惰性、蓄热系数、衰减倍数、延迟时间、建筑窗墙比、有效传热系数等参数；测试建筑外墙构件材料的基本参数（厚度、密度）；热物性参数（比热容、导热系数、与温度相关的导热系数）；湿物性参数（不同相对湿度下的水分储存含量、湿度相关的导热系数、与含水率相关的导热系数等），为模拟分析提供有效的材性数据支撑。2）开展现场测量木结构建筑墙体在不同时期的传热系数，探索其不同时间段传热系数测定值与理论值的差异，并分析不同墙体结构下木结构建筑墙体保温性能。3）实时监测木结构建筑外墙温度、湿度及含水率的变化，分析其随时间的变化趋势，为木结构建筑热湿耦合提供实时监测数据。4）利用WUFI 6.0软件等模拟不同时期木结构建筑墙体的热湿耦合情况，包括设定模型，输入材性数据，输入已查阅整理建立的当地典型气象年气象数据，设置边界条件等。根据模拟结果，并对比木结构建筑保温与热湿实测值，以实现WUFI软件准确、可靠地预测轻型木结构建筑墙体传热系数，温度、湿度和含水率等参数的未来变化趋势目标。

总之，木结构建筑外围护墙体的节能设计工作尤为重要，必须按照建筑物理学客观需要，着眼于木结构建筑墙体的保温及木结构建筑热湿耦合传递机理等前期设计，做好木结构建筑墙体热工性能的耐久性与舒适度预测工作，以促进中国木结构建筑事业健康、快速地发展。