严寒地区真空绝热板外墙外保温应用传湿研究_夏赟.pdf

低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.016严寒地区真空绝热板外墙外保温应用传湿研究THE APPLICATION OF VACUUM INSULATION BOARD FOR EXTERNAL INSULATION IN COLD AREAS夏赟1，田野1，周斌琦2，张一恒1，孙嘉畦1，王熠鹏1，周洪淼1，樊春亭1（1.黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080；2.黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088）XIA Yun1,TIAN Ye1,ZHOU Binqi2,ZHANG Yiheng1,SUN Jiaqi1,WANG Yipeng1,ZHOU Hongmiao1,FAN Chunting1（1.Heilongjiang Province Academy of Cold Area Building Research,Harbin 150080,China;2.Heilongjiang Agricultural EngineeringVocational College,Harbin 150088,China）【摘要】为了进一步研究严寒地区真空绝热板应用于外墙外保温传湿效果，文中利用冷凝验算方法及二维稳态传热计算软件PTemp模拟对比分析在严寒A区和B区的两种墙体构造，从而得到实际水蒸气分压P线和饱和蒸汽分压Ps线，验证在STP板处及板缝处水蒸气分压的情况，从而判定围护结构内部是否冷凝，并通过对应用项目双鸭山市经开发区科创中心大厦墙体进行实地的温湿度测试，进而研究STP板在外墙外保温系统的实际应用的传湿效果，也为STP板在严寒地区设计和施工提供参考。【关键词】真空绝热板（STP板）；板缝；冷凝；外保温【中图分类号】TU55【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0070-05Abstract：The effectiveness of vacuum insulation board applied to exterior wall insulation and moisture transfer incold regions is investigated.Two kinds of wall structures in cold regions A and B are simulated and analyzed by thecondensation checking method and the two-dimensional steady-state heat transfer calculation in PTemp software.The actual steam partial pressure curve and saturated steam partial pressure curve are observed.The partial pressure of water vapor at the STP board and the board joint is verified the condensation inside the envelope structure.Through the field temperature and humidity measurement on the wall of the application project of Shuangyashan Development Zone Kechuang Center Building,the humidity transfer effectiveness of the actual application of STPboard in the exterior insulation system is studied,which may provide the reference for the design and construction ofSTP board in the cold areas.Key words：vacuum insulation board(STP board);plate seam;condensation;external thermal0引言随着我国碳达峰碳中和战略的全面实施，建筑业作为碳排放重点领域，正在面临一场深刻的系统性变革。在此背景下，为黑龙江省发展适应严寒气候特征的超低能耗建筑带来了前所未有的契机。黑龙江省地区从地理位置上来看处于高纬度严寒地区，有明显的气候特殊性，应用已有的超低能耗建筑技术体系具有一定风险和技术问题，因此需要积极引进新的绿色产品通过示范应用、经验总结，发展适用于严寒地区超低能耗建筑技术体系，而STP是建筑用真空绝热板（VIPB）的其中一种，作为一种新型高效绿色的保温材料，他已有50多年的发展历史1，但STP板本身具有不透气的特点，在冬季极易引发其内部冷凝、内表面结露、发霉等，使建筑物的使用寿命降低。由于传湿过程比传热过程复杂得多，在围护结构内部冷凝验算时，只考虑稳定条件下单纯的水蒸气渗透过程，不考虑围护结构内部液态水分的转移，不考虑热湿交换过程之间的相互影响2。文中通过研究STP板在严寒A区“漠河”、严寒B区“哈尔滨”两种墙体构造中传湿效果及STP板在保温装饰板外墙外保温系统的实际应用情况，从而分析并提出有效的防止墙体内部出现冷凝现象的措施。1计算软件模拟1.1严寒 B 区“哈尔滨”二维稳态传热计算软件PTemp模拟文中利用冷凝验算方法得到实际水蒸气分压P线和饱和蒸汽分压Ps线分布图3的基础上，结合二维稳态传热计算软件PTemp模拟两种不同墙体构造，其墙体构造形式为“5mm抗裂砂浆+20mm抹面保温砂浆+（27mm/22mm）STP 板+（200mm 钢筋混凝土墙体/240mm轻集料小型空心砌块）墙体材料+20mm水泥砂浆”，模拟图见表1。基金项目 住建部科学技术计划项目（2019-K-057）70根据模拟图的温度分布，可以粗略的得到两种墙体构造在各层的界面温度，精度到0.5见表2、表3。通过查GB 50176-2016 民用建筑热工设计规范4中B.8，可以得到各层界面温度所对应的标准大气压时的饱和水蒸气分压见表4、表5。针对板缝处不同的处理方式，分3种情况分析，即情况1：板缝处无任何填充材料，为封闭空气腔；情况2：直接在板缝内压满保温砂浆；情况3：板缝处采用填充PE棒（PE棒材料为聚乙烯）。1.2计算结果分析与整理根据文中的计算结果，可以绘制围护结构实际水蒸气分压P线和饱和蒸气分压Ps线分布图，其中Ps（1）线为利用冷凝验算方法计算得到的各层饱和蒸气分压，Ps（2）线为二维稳态传热计算软件PTemp模拟得到的各层饱和蒸气压见图1、图2。表1二维稳态传热计算软件PTemp模拟温度标尺钢筋混凝土墙体轻集料小型空心砌块墙体18.0C15.8C13.6C11.4C9.2C7.0C4.8C2.5C0.3C-1.9C-4.1C-6.3C-8.5C表2基墙为钢筋混凝土墙体各层界面温度位置STP板处情况1情况2情况3i18.0216.7314.214.515.015.54-7.8-1.0-5.45-8.1-6.4-7.0-7.5e-8.5注：表2、表3、表6、表7中i为室内温度，2为水泥砂浆与基墙的界面温度，3为基墙与STP板的界面温度，4为STP板与保温砂浆的界面温度，5为保温砂浆与抗裂砂浆的界面温度，e为室外温度。表3基墙为轻集料小型空心砌块墙体各层界面温度位置STP板处情况1情况2情况3i18.0216.8311.37.78.310.24-7.5-2.5-4.0-6.35-8.0-7.3-7.5-7.9e-8.5表4Pa基墙为钢筋混凝土墙体各层饱和水蒸气压位置STP板处情况1情况2情况3Pi2062.5P21899.8P31618.51650.51703.91759.9P4314.6562.6388.0P5306.6356.0337.3456.0Pe296.0基墙为轻集料小型空心砌块墙体各层饱和水蒸气压位置STP板处情况1情况2情况3Pi2062.5P21911.8P31338.61050.61094.61243.2P4324.0496.0473.3595.9P5309.3329.3324.0312.0Pe296.0表5Pa（a）STP板处3000200010000水蒸气分压力/Pa123456界面Ps（1）PPs（2）3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（b）情况13000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（c）情况23000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（d）情况3图1基墙为钢筋混凝土围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度60%）（a）STP板处3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面71低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用由图1、图2可知，当墙体材料为钢筋混凝土时，无论是通过冷凝验算方法还是二维稳态传热计算软件PTemp模拟，在STP板处和板缝处3种情况均不会发生冷凝，当墙体材料为轻集料小型空心砌块时，利用冷凝验算方法得出的各层饱和蒸气压，在STP板处不会发生冷凝现象，但在板缝处会出现实际的水蒸气分压力大于饱和水蒸气分压的情况，而利用二维稳态传热得出各层的饱和蒸气压，只有在板缝处1时，会出现Ps线和P线会出现相交的情形。1.3严寒A区“漠河”模拟计算分析与结果利用上述两种方法计算分析相同墙体构造，根据GB 50176-2016 民用建筑热工设计规范 附录A及DB 23/T2473-2019 黑龙江省建筑外墙用真空绝热板（STP）应用技术规程5，取漠河采暖期室外平均温度为-14.7，相对湿度为67%，室内温度和相对湿度与严寒B区“哈尔滨”取值相同，从而可以得到两种墙体的各层界面温度见表6、表7；进而，可得到实际水蒸气分压P线和饱和蒸汽分压Ps线的曲线见图3、图4。3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（c）情况23000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面图2基墙为轻集料小型空心砌块围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度60%）（d）情况3表6基墙为钢筋混凝土墙体各层界面温度位置STP板处情况1情况2情况3i18216.5313.511.514.315.24-13.5-5-11.15-14.1-12.8-13-14.2e-14.7基墙为轻集料小型空心砌块墙体各层界面温度位置STP板处情况1情况2情况3i18216.5354.5164-12-9-10-10.85-14-13.5-14-14.3e-14.7表73000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（b）情况1（a）STP板处3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（a）STP板处3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（b）情况13000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（c）情况23000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（d）情况3图3基墙为钢筋混凝土围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度60%）72由图3、图4可以清晰地看出，当基墙为钢筋混凝土时，在STP板处和板缝处3种情况均不会发生冷凝，而基墙为轻集料小型空心砌块时，冷凝验算方法得到的结果在STP处不会出现冷凝，板缝处的1、2、3种情况在界面3开始出现了实际的水蒸气分压力大于饱和水蒸气分压的情况。利用二维稳态传热计算软件PTemp模拟得到的各个界面的蒸气压均出现了Ps线和P线相交的情况。2双鸭山市经开区科创大厦现场测试情况及数据分析在严寒和寒冷地区，目前主要采用外墙外保温技术来提高围护结构的保温性能，改善围护结构的气密性，减少传热损失及冷空气渗透的热损失，但围护结构气密性的提高，传湿也可能受阻，且STP板本身不透气性，室内产生的水蒸气就很难从室内经围护结构排至室外。为了更好的研究STP板在外墙外保温系统的实际应用情况，于2020年末，开始对双鸭山市经开发区科创大厦的南、北侧房间进行的温湿度测试及分析，其建筑采用“8mm硅酸钙板+25mmSTP板+墙体材料（390mm290mm190mm轻集料小型空心砌块）+20mm水泥砂浆”的构造形式。文中选取从2020年12月20日2021年5月30日每隔15d的温湿度数据，其温湿度曲线见图5，在南、北两侧房间分别设置4个测试点，其测试点1为室内温湿度，测试点2和测试点3是分别在南、北侧墙体由内墙钻孔至轻集料小型空心砌块内空气腔的温湿度（记作：南上、南下、北上、北下），南下、北下测试点分别比南上、北上测试点更靠近室内侧，测试点4为室外温湿度。由图5可得出：墙体内相对湿度靠近室内侧大于靠近室外侧；从125月墙体内湿度经历由高向低又向高的变化过程，1月末最低；45月墙体内温度呈上升趋势，5月墙体内相对湿度增长幅度较大，室内侧与室外侧温湿度差距变小，5月末趋于一致。说明天气转暖，停止供暖后，墙体内含湿量重新分布，趋于平衡，而且逐渐增加。为了进一步验证墙体内蒸气分压情况，选取供暖时期的2021年3月20日全天的温湿度数据，从而可得到南、北侧房间4个测试点在不同时间对应的标准大气压下的水蒸气分压值情况，如图6所示。2520151050温度/6050403020100RH相对湿度/%2020/12/18 0：002021/1/7 0：002021/1/27 0：002021/2/16 0：002021/3/8 0：002021/3/28 0：002021/4/17 0：002021/5/7 0：002021/5/27 0：00时间北上温度北下温度南上温度南下温度南上湿度南下湿度北上湿度北下湿度图52020年12月2021年6月双鸭山温湿度曲线（a）北侧蒸气压室内北上北下室外600550500450400350300250水蒸气分压力/Pa2021/3/20 0:002021/3/20 4:482021/3/20 9:362021/3/20 14:242021/3/20 19:122021/3/21 0:00时间/s3000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面图4基墙为轻集料小型空心砌块围护结构内部冷凝情况（室内环境相对湿度60%）（c）情况23000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（d）情况33000200010000水蒸气分压力/PaPs（1）PPs（2）123456界面（b）情况173低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用由图6可知，北侧房间测试点北下的蒸气压大于北上的蒸气压，且高于室内和室外的蒸气压，南侧房间测试点在下午12点46分之前，南下和南上的蒸气压均高于室内和室外的蒸气压，而13点16分以后，出现室外的蒸气压大于南上的现象，且南下的蒸气压高于南上的蒸气压，说明室外向墙体内传湿。到20点16分时，室内又高于南下、南上蒸气压，其室内又向墙体内传湿。结合图6可知，3月份的相对湿度明显低于5月份，这是由于在冬季，严寒地区开始供暖，其室内干燥，夏季在墙体内积累的湿气在蒸气压差的作用下，开始向室内、室外两个方向进行传递，不存在室内湿气向室外传递的过程。再分别计算3月20日全天北侧和南侧房间的平均温度及相对湿度，可以得到当北侧房间室内相对湿度高于24.4%，其室内的蒸气分压北下的蒸气分压（南侧房间室内湿度大于22.4%时，其室内蒸气分压南下的蒸气分压），此时室内向墙体外传湿。3结语文中分别利用二维稳态传热计算软件PTemp模拟估算各个界面的温度，用冷凝验算方法得到各个界面蒸气压值，对比分析严寒A区及严寒B区建筑外墙外保温系统中STP板结构墙体传湿效果，同时通过对STP板在应用于严寒地区工程项目的实际测温湿度，计算分析得到以下结论：（1）利用二维稳态传热计算软件PTemp模拟得到界面温度整体要高于一维稳态冷凝验算各个界面温度，当墙体材料为钢筋混凝土时，STP板在外墙外保温系统应用时，无论是严寒A区还是严寒B区在STP板处和板缝处3种情况均不会发生冷凝，但墙体材料为轻集料小型空心砌块时，STP板在严寒A区内部出现冷凝的可能性要高于严寒B区，主要出现在界面3或界面4位置处。（2）通过对双鸭山工程项目进行温湿度测试，可以看出严寒地区在外墙外保温系统应用STP板时，在冬季供暖时期，室内相对湿度较低，室内干燥，墙体内蒸气压室内蒸气压，湿气向室内转移；供暖期结束后，室内外温差变小，墙体内相对湿度逐渐升高，最终达到平衡状态，墙体内相对湿度将高于冬季。若室内湿度较高，建议严寒地区应用STP板做保温材料时，应有效地利用板缝处传湿或在墙体内部设置排湿装置。参考文献1 张一恒，夏赟，田野，等.严寒地区真空绝热板应用防热桥及缺陷措施研究 J.低温建筑技术，2022，44（7）：73-79.2 王培铭.商品砂浆的科学与技术 .北京：化学工业出版社，2012：262-267.3 田野，夏赟，李壮贤，等.严寒地区真空绝热板外保温系统传湿路径研究 J.低温建筑技术，2022，44（5）：29-33.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑热工设计规范：GB 50176-2016 S.北京：中国建设工业出版社，2016.5 黑龙江省住房和城乡建设厅.黑龙江省建筑外墙用真空绝热板（STP）应用技术规程：DB 23/T2473-2019 S.哈尔滨：黑龙江省市场监督管理局，2019.收稿日期2022-10-27作者简介夏赟（1967），女，哈尔滨人，二级研究员级高工，研究方向：建筑节能与绿色建筑。通信作者田野（1990），女，辽宁昌图人，工程师，研究方向：节能与建材。600550500450400350300250水蒸气分压力/Pa室内南上南下室外2021/3/20 0:002021/3/20 4:482021/3/20 9:362021/3/20 14:242021/3/20 19:122021/3/21 0:00时间/s图62021年3月20日南北侧墙实时蒸气压曲线（b）南侧蒸气压74