為了緩解化石能源短缺的困境以及燃燒帶來的生態(tài)環(huán)境問題，建筑節(jié)能已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要舉措［1-2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，全國(guó)冬季供暖總能耗5.33×108 t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，農(nóng)村消耗3.27×108 t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)供暖總能耗的61.4%［3-6］。農(nóng)村供暖能耗占比高主要原因是農(nóng)村供暖不集中，房屋保溫性能差。因此，國(guó)家在對(duì)農(nóng)村地區(qū)改變供暖方式進(jìn)行試點(diǎn)的同時(shí)，也對(duì)農(nóng)村房屋進(jìn)行節(jié)能改造，常用做法是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外附加保溫層［7］。
華北地區(qū)冬季寒冷干燥，晝夜溫差大，建筑能耗與墻體內(nèi)熱濕傳遞密切相關(guān)。Fitsum等人［8-9］對(duì)混凝土建筑進(jìn)行了熱濕傳遞實(shí)驗(yàn)，得出外墻水蒸氣防護(hù)層將減少向墻內(nèi)的濕遷移，但作用小于內(nèi)墻防護(hù)層的使用的結(jié)論；李魁山等人［10］以溫度和水蒸氣密度為變量，測(cè)試了墻體內(nèi)外保溫方式在冬夏兩季的結(jié)露狀況，結(jié)果表明：冬季內(nèi)保溫和墻體接觸面發(fā)生冷凝并結(jié)露，外保溫在冬、夏季均不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露；賈斌廣等人［11］基于軟件模擬了不同比例建筑材料對(duì)室內(nèi)環(huán)境調(diào)濕能力的強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，陶粒質(zhì)量分?jǐn)?shù) 25%時(shí)，內(nèi)壁面濕流密度的絕對(duì)值最大，調(diào)濕性能最優(yōu)；何雪瓊等人［12］用MATLAB編程準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了附加空氣層的多層墻體內(nèi)溫濕度分布和動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明：墻體內(nèi)空氣含濕量隨時(shí)間的增加逐漸上升，半年后，含濕量不再變化，濕流密度和熱通量隨時(shí)間增加不斷減小且變化幅度逐漸減小，3 a后，濕流密度和熱通量基本不再變化。
本文結(jié)合濟(jì)南市商河縣農(nóng)村房屋改造的具體實(shí)例，以溫度和相對(duì)濕度為驅(qū)動(dòng)勢(shì)，建立了墻體的濕和空氣耦合傳遞模型（HAM），利用COMSOL Multiphysics軟件模擬保溫墻體和非保溫墻體的熱濕變化規(guī)律，分析了兩種墻體的熱濕性能，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
2 模型的建立
①物理模型
墻體模型見圖1，XPS為擠塑式聚苯乙烯，為保溫層材料。墻體物性參數(shù)見表1。假設(shè)墻體滿足以下條件：建筑墻體為各向同性的連續(xù)多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)內(nèi)部熱濕平衡；墻體內(nèi)的濕組分只有氣液兩相，氣體視作理想氣體；墻體內(nèi)部的熱濕遷移只存在于水平方向，忽略各層墻體之間濕傳遞阻力。
圖1 墻體模型
表1 墻體物性參數(shù)
②數(shù)學(xué)模型
通過建立濕和空氣耦合傳遞模型求解墻體內(nèi)部溫度和含濕量變化問題。控制方程見文獻(xiàn)［13］。根據(jù)Fick定律、Darcy定律及質(zhì)量守恒定律，建立傳質(zhì)方程，主要考慮了水蒸氣的對(duì)流擴(kuò)散、水的分子擴(kuò)散，根據(jù)Fourier定律和能量守恒定律，考慮墻體中的濕傳遞，建立傳熱方程。
③初始條件和邊界條件
以濟(jì)南市商河縣為例，研究分析了多層墻體在冬季的熱濕遷移過程，室外溫度、相對(duì)濕度見圖2。模擬時(shí)，室外溫度、相對(duì)濕度在圖2基礎(chǔ)上做處理，室外溫度用正弦函數(shù)表示，相對(duì)濕度用插值函數(shù)表示，模擬時(shí)長(zhǎng)為72 h。室外相對(duì)濕度插值設(shè)定見表2。墻體外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為23.26 W/（m2·K），質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)為1.4×10-7 kg/（Pa·m2·s）；內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8.72 W/（m2·K），質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)為1.8×10-8 kg/（Pa·m2·s）。墻體相對(duì)濕度以墻體內(nèi)空氣相對(duì)濕度表示，取0.4（含濕量為3.5 g/kg），初始溫度285 K；室內(nèi)相對(duì)濕度取0.5（含濕量為7.2 g/kg），溫度維持285 K不變。室外溫度用正弦函數(shù)表示，見式（1）：
表2 室外相對(duì)濕度插值設(shè)定
3 結(jié)果及分析
①溫度分布
非保溫墻體和XPS保溫墻體溫度分布見圖3，非保溫墻體和XPS保溫墻體第72 h溫度云圖見圖4，圖中圖例的數(shù)值單位為K。根據(jù)圖3，非保溫墻體比XPS保溫墻體的內(nèi)壁面平均溫度低1.5 K。墻體外壁面主要受室外溫度影響，溫度變化趨勢(shì)與室外溫度變化趨勢(shì)相同。由于水泥砂漿的熱導(dǎo)率大，溫度梯度較小，因此非保溫墻體水泥砂漿與混凝土交界處與外壁面平均溫差僅為0.8 K。在圖3a中，水泥砂漿與混凝土交界處的溫度變化與外壁面溫度變化相比存在2 h延遲。從圖3b中同樣可以看到，在XPS保溫墻體中，保溫層與水泥砂漿交界處溫度與外壁面的溫度變化存在延遲，平均溫差為6.3 K，遠(yuǎn)高于非保溫墻體水泥砂漿與混凝土交界面與外壁面的平均溫差，這是由于XPS熱導(dǎo)率小，熱阻大。前15 h內(nèi)，水泥砂漿與混凝土交界處溫度幾乎沒有變化，分析是混凝土層較厚且比熱容高于水泥砂漿比熱容，熱量傳遞需要更長(zhǎng)時(shí)間。
②含濕量分布
非保溫墻體和XPS保溫墻體含濕量分布見圖5，非保溫墻體和XPS保溫墻體第72 h含濕量云圖見圖6，圖中圖例的數(shù)值單位為g/kg。可以看出，兩種墻體外壁面處的含濕量變化與室外相對(duì)濕度變化趨勢(shì)一致，說明此處含濕量受室外相對(duì)濕度影響較大。比較圖6a、6b可以看出，XPS保溫墻體保溫層與水泥砂漿交界處含濕量較非保溫墻體高，其原因是XPS的蒸汽滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于水泥抹灰，水蒸氣透過保溫層的能力下降，說明增加保溫層可以有效阻止室內(nèi)濕組分向室外遷移。兩種墻體內(nèi)壁面處含濕量均受室內(nèi)相對(duì)濕度影響，先增加然后在第12 h左右含濕量趨于穩(wěn)定，變化趨勢(shì)相同，這是因?yàn)閮?nèi)壁面初始相對(duì)濕度低于室內(nèi)相對(duì)濕度且室內(nèi)相對(duì)濕度保持不變。
對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿與混凝土交界處受室外溫度影響要遠(yuǎn)大于受室外相對(duì)濕度影響，混凝土與水泥抹灰交界處的含濕量變化比溫度變化小，這是由于熱傳遞比濕傳遞快。因此，兩個(gè)交界面受室內(nèi)、外溫度影響更大。
③凈吸熱量密度與潛熱凈吸熱量密度
對(duì)于墻體與房間形成的吸熱量與墻體與室外環(huán)境形成的放熱量之差稱為凈吸熱量。
墻體的凈吸熱量密度主要包括顯熱凈吸熱量密度和潛熱凈吸熱量密度，墻體凈吸熱量密度變化見圖7，正值表示墻體吸熱，負(fù)值表示墻體放熱。墻體潛熱凈吸熱量密度變化見圖8，正值表示冷凝放熱，負(fù)值表示蒸發(fā)吸熱。經(jīng)計(jì)算，在非保溫墻體和XPS保溫墻體中，潛熱凈吸熱量密度分別占凈吸熱量密度的21.7%、14.3%，凈吸熱量密度下降62.8%。
4 結(jié)論
①水泥砂漿與混凝土交界面、混凝土與水泥抹灰交界面分別受室外、室內(nèi)溫度影響大于相對(duì)濕度影響。
②潛熱凈吸熱量密度在非保溫墻體和XPS保溫墻體內(nèi)分別占凈吸熱量密度的21.7%和14.3%，XPS保溫墻體的凈吸熱量密度較非保溫墻體下降62.8%。
③XPS保溫墻體內(nèi)壁面單位面積吸熱量為153 W/m2，吸濕量為9.91×10-9 g/（m2·s），非保溫墻體內(nèi)壁面單位面積吸熱量為268 W/m2，吸濕量為2.19×10-8 g/（m2·s）。XPS保溫墻體比非保溫墻體內(nèi)壁面單位面積吸熱量減少了42.9%，吸濕量減少了54.3%，保溫效果顯著。
