引 言
建筑能耗占社會總能耗比例在 30% 左右，降低建筑能耗對于社會綠色可持續(xù)發(fā)展有重要意義。在此背景下德國 Feist 教授提出的被動式低能耗建筑理念，對于降低建筑能耗、減輕環(huán)境污染具有極大的積極作用。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，被動式低能耗建筑采暖 / 制冷需求為 15W/(m2a)，相較傳統(tǒng)建筑其能耗明顯降低。
降低建筑能耗關(guān)鍵在于降低建筑與環(huán)境之間的熱量耗散，而外墻處熱量耗散在建筑整體熱量耗散中占比最大，改善外墻的保溫措施可以明顯提高建筑節(jié)能效果。目前外墻保溫多采用多孔材料，是指多孔固體骨架構(gòu)成的孔隙空間中充滿單相或多相介質(zhì)，固體骨架遍及多孔介質(zhì)所占據(jù)的體積空間，孔隙空間相互連通，其內(nèi)的介質(zhì)可以是氣相流體、液相流體或氣液兩相流體 。其孔隙處水分的蒸發(fā) - 冷凝過程，會對材料的保溫性能產(chǎn)生明顯影響，并可能對材料造成結(jié)構(gòu)性破壞，故需要對保溫材料內(nèi)部冷凝問題進行研究。
本文以成都、北京、哈爾濱代表三種典型的冬冷氣候條件，研究單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)作為被動式低能耗建筑外保溫結(jié)構(gòu)時，在三種典型氣候條件下的冬季內(nèi)部冷凝問題，保溫層厚度根據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則 ( 試行 )》中對外墻傳熱系數(shù)的要求確定，為巖棉條和石墨聚苯板作為被動式低能耗建筑外墻保溫材料提供設(shè)計參考依據(jù)。
分析方法及設(shè)計計算參數(shù)
1.保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝問題分析方法
根據(jù)傅里葉定律計算第三類邊界條件下一維無熱源熱傳導(dǎo)過程中各交界面溫度公式如下：
其中 q 為熱流強度，Tin、Tout 分別為室內(nèi)室外溫度，hin、hout 分別為室內(nèi)外墻壁處換熱系數(shù)，n 為外墻保溫板層數(shù)，從 1 開始計數(shù)，δi 為第 i 層保溫板厚度，λi為第 i 層保溫板導(dǎo)熱系數(shù)，ai 為第 i 層保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)，Tj 為第 j 界面溫度，從 1 開始計數(shù)。
根據(jù)各界面溫度計算結(jié)果可進一步獲得該界面處飽和蒸汽壓 ps，即為該溫度下所能蘊含的水蒸氣最大量。
根據(jù) Galser 提出的穩(wěn)態(tài)蒸汽滲透模型 計算水蒸氣一維無源滲流過程中各界面的水蒸氣壓力公式如下：
其中 Pin、Pout 分別為室內(nèi)室外水蒸氣分壓力，可根據(jù)室內(nèi)外溫度及相對濕度計算得到，μi 為第 i 層保溫板水蒸氣滲透系數(shù)，Pj 為第 j 界面水蒸氣分壓力。
如果界面處水蒸氣分壓力計算值大于該界面處飽和水蒸氣分壓力，則表明該界面處水蒸氣出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象時，根據(jù)公式 (4)、公式 (5) 計算冷凝界面的冷凝強度和保溫層材料重量濕度增量。
其中 ωj 為 j 界面的冷凝強度，Pj-1、Pj+1 分別為 j-1、j+1 界面的實際水蒸氣分壓力，Pj.s 為 j 界面飽和蒸汽壓，δj-1、δj 分別為 j-1、j 層保溫板厚度，μj-1、μj 分別為j-1、j 層保溫板水蒸氣滲透系數(shù)，Δω 為保溫層材料重量濕度增量，Z 為采暖期天數(shù)，ρi 為保溫材料密度。
2.設(shè)計計算參數(shù)
通過分析方法可知，設(shè)計計算過程中需要確定室內(nèi)外溫度、相對濕度、內(nèi)外墻面換熱系數(shù)，可根據(jù)GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》附錄 A 選取三個城市的冬季室外氣象參數(shù)，根據(jù)附錄 B 選取墻面換熱系數(shù)；依據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則 ( 試行 )( 居住建筑 )》的規(guī)定，選取三個城市的外墻傳熱系數(shù)，作為設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)各層厚度的依據(jù)，具體內(nèi)容見表 1。
表 1 三個典型城市冬季室內(nèi)外氣象參數(shù)和熱工設(shè)計參數(shù)
3.材料物理性質(zhì)
本研究中所選取的材料種類及其物理性質(zhì)見表 2，其中巖棉條和石墨聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，是圍護結(jié)構(gòu)保溫的關(guān)鍵材料；但是巖棉條蒸汽滲透系數(shù)較高，不利于防止水蒸氣滲透，石墨聚苯板水蒸氣滲透系數(shù)較低，有利于防止水蒸氣滲透。
表 2 保溫材料基本物理性質(zhì)
計算與分析
1.圍護結(jié)構(gòu)具體構(gòu)造及熱工性能
圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，非關(guān)鍵保溫材料厚度依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集 16J908-8《被動式低能耗建筑 - 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑》確定，其中鋼筋混凝土厚度200mm，聚合物抗裂砂漿厚度 5mm。
依據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑 )》中對外墻傳熱系數(shù)的要求設(shè)計關(guān)鍵保溫材料的厚度。對于單層巖棉條結(jié)構(gòu)，僅需計算巖棉條厚度；對于巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)，按照 GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求，巖棉條厚度設(shè)為50mm，僅需計算石墨聚苯板的厚度。設(shè)計計算結(jié)果如表 3 所示，進而可計算出各層材料的熱阻、蒸汽滲透阻及圍護結(jié)構(gòu)總熱阻、總蒸汽滲透阻，如表 4 所示?？梢?，在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，由單層巖棉條結(jié)構(gòu)構(gòu)成的圍護結(jié)構(gòu)中，巖棉條的厚度均已超過 300mm；而石墨聚苯板的加入有利于減少圍護結(jié)構(gòu)總厚度，在三種典型氣候區(qū)，由巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的圍護結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵保溫材料總厚度均小于 300mm。
表 3 圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造及分層熱阻和蒸汽滲透阻
表 4 圍護結(jié)構(gòu)總厚度、總熱阻及總蒸汽滲透阻
為了便于分析說明，將圍護結(jié)構(gòu)界面由內(nèi)向外依次編號，如圖 1 所示。
圖 1 圍護結(jié)構(gòu)界面劃分示意圖
圖 2 單層巖棉條結(jié)構(gòu)飽和蒸汽壓及實際蒸汽壓分布
2.飽和蒸汽壓和實際蒸汽壓分布
根據(jù)冬季室內(nèi)外溫度Tin、Tout 和公式（1）、公式（2），確定兩種圍護結(jié)構(gòu)各界面溫度 Tw，通過查 GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》附錄 B8 可得各界面飽和水蒸氣分壓力 Ps。再根據(jù)冬季室內(nèi)外相對濕度 fin、fout確定冬季室內(nèi)外實際水蒸氣分壓力，進而通過公式（3）得到兩種圍護結(jié)構(gòu)各界面實際水蒸氣分壓力 Pj。將 Tw、Ps 和 Pj 的計算結(jié)果繪制成圖表，如圖 2 和圖 3 所示。
結(jié) 論
（1）在外墻傳熱系數(shù)相同的情況下，石墨聚苯板的加入有利于減少圍護結(jié)構(gòu)總厚度；
（2）圍護結(jié)構(gòu)材料的排序?qū)?nèi)部冷凝現(xiàn)象有明顯影響，最容易出現(xiàn)冷凝的界面位于關(guān)鍵保溫材料低溫側(cè)，故應(yīng)在保溫材料前加入蒸汽滲透阻高的材料，有利于降低冷凝現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性；
（3）在滿足被動式低能耗建筑外墻傳熱系數(shù)要求的情況下，由單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的被動式低能耗建筑外圍護結(jié)構(gòu)，在三種典型氣候區(qū)冬季時，均未出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象；
圖 3 巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)飽和蒸汽壓及實際蒸汽壓分布
（4）從內(nèi)部冷凝角度分析，單層巖棉條結(jié)構(gòu)和巖棉條 - 石墨聚苯板雙層結(jié)構(gòu)均可作為被動式低能耗建筑的外墻保溫結(jié)構(gòu)。
