外墙外保温工程防水防潮协同设计原则研究

Research on collaborative design principles of waterproofing and moisture-proofing for external wall insulation system

摘要

外墙保温工程能有效降低建筑运行阶段能耗和碳排放。为保障建筑外墙保温工程的耐久性与节能性，有必要在设计阶段开展防水防潮设计。当前全文强制通用规范分别就防水（液态水）与防潮（水蒸气）提出相应的设计方法，然而二者的目标与控制方向存在一定差异性。为更好实现外墙外保温工程防水与防潮的协同设计与控制，在保障防水工程质量的前提下，研究实现节能标准关注的防潮设计。文章梳理了现行重要标准中外墙外保温工程的防潮设计与防水设计的主要要求，通过内表面结露、内部冷凝、湿积累、干燥特性4种外墙防潮评价方法，对外保温工程防水层的水蒸气渗透阻进行计算和分析，提出了防水层的防潮建议，为实现外墙外保温工程的防水与防潮协同设计奠定技术基础。

Abstract

External wall insulation systems can effectively reduce energy consumption and carbon emissions during the operation phase of buildings. The design of waterproofing and moisture-proofing during the design phase is essential to ensure the durability and energy efficiency of building external wall insulation systems. Current mandatory general codes outline separate design methodologies for waterproofing （against liquid water） and moisture-proofing （against water vapor）. Nevertheless， there exists a certain difference in objectives and control directions of these methodologies. To facilitate coordinated design and control of both waterproofing and moisture-proofing in external wall insulation systems， this study investigates moisture-proofing approaches grounded in energy efficiency criteria while maintaining effective waterproofing. The study outlines the primary requirements for moisture-proofing and waterproofing design in external wall insulation systems as stipulated in current key standards. It applies four exterior wall moisture resistance evaluation methods， including inner surface condensation， internal condensation， moisture accumulation and drying characteristics， to calculate and analyze the water vapor permeation resistance of waterproof layers in external insulation engineering. Furthermore， the study proposes moisture-proofing recommendations for waterproof layers， thereby establishing a technical foundation for the coordinated design of waterproofing and moisture-proofing in external wall insulation system.

Graphical abstract

关键词

全文强制规范 / 外墙外保温工程 / 防水设计 / 防潮设计

Key words

mandatory general code / external wall insulation system / waterproofing design / moisture-proofing design

外围护结构有效削弱了室外气候变化对室内环境的不利影响，是建筑不可或缺的组成部分之一。研究表明，70%以上的建筑外围护结构缺陷与湿分息息相关^［1］。湿分在外围护结构中的传递与储存不仅对建筑材料性能存在劣化影响^［2-5］，造成外围护结构开裂^［6-7］、起鼓^［8-9］、脱落^［10-11］等风险，过高的湿分还会导致建筑能耗提升^［12-14］、围护结构发霉^［15-17］等问题。

为解决湿分引起的围护结构问题，研究人员开展了湿分在围护结构中储存和传递的研究。上世纪50年代，Glaser^［18］提出了一维稳态水蒸气传递模型，该模型以水蒸气压力为驱动势，结合傅里叶定律对围护结构内热湿传递进行稳态分析。同一时期，Philips和De Vries^［19］提出了同时考虑水蒸气与液态水混合传递的湿传递模型。Luikov^［20］以温度、湿度、压力作为驱动势提出了多孔材料热湿耦合传递模型。此后，许多学者提出热湿耦合传递模型，并开展建筑围护结构热湿特性研究。Shen等^［21］研究了冻融状态下建筑材料内部的热湿耦合传递。王佳才等^［22］分析了盐分对墙体热湿耦合传递的影响。周孟丽等^［23］开展了低气压地区外墙热湿特性模拟分析。Molenda等^［24］在热湿耦合传递模型中增加了多孔建筑材料毛细滞后效应影响。

当前科学研究已将水蒸气与液态水的传递和储存综合考虑。遗憾的是，我国现有热湿物性数据库与常用工程计算手段难以支持工程开展热湿耦合计算。在实际工程中，围护结构的湿控制细分为了水蒸气控制的防潮设计与液态水控制的防水设计，二者分属于建筑热工与建筑防水领域。由于行业发展现状等原因，节能、防水等不同细分领域标准体系对于防水防潮设计评价的目标与控制方向存在一定差异性。为进一步加强外墙外保温工程湿控制领域各项工作的内部联系，本文梳理了现行重要标准中防潮设计与防水设计的主要要求，并在此基础上开展兼顾防潮和防水的外墙外保温工程湿控制原则研究。

1 外墙外保温工程防潮与防水主要标准要求现状

2015年3月《国务院关于印发深化标准化工作改革方案的通知》（国发〔2015〕13号）指出，当前国内标准化工作主要存在标准缺失老化滞后、交叉重复矛盾、体系不够合理、标准化协调推进机制不完善等四大主要问题，提出建立政府主导制定的标准（强制性国标和推荐性国标、行标、地标）与市场自主制定的标准（团体标准和企业标准）协同发展、协调配套的新型标准体系，健全统一协调、运行高效、政府与市场共治的标准化管理体制，推动中国经济迈向中高端水平的标准化改革总体目标。2016年8月，《住房和城乡建设部关于印发深化工程建设标准化工作改革意见的通知》（建标［2016］166号）明确提出加快制定全文强制标准、构建强制性标准体系、全面提升标准水平等工程建设标准领域改革七大目标。在此背景下，全文强制工程建设国家标准《建筑环境通用规范》GB 55016—2021^［25］、《建筑与市政工程防水通用规范》GB 55030—2022^［26］相继被纳入强制性工程建设规范体系^［27］。

《建筑环境通用规范》GB 55016—2021^［25］、《民用建筑热工设计规范》GB 50176—2016^［28］提出围护结构应进行内部冷凝与表面结露验算，以实现围护结构水蒸气控制。针对液态水控制，热工规范虽然提出“与室外雨水或土壤接触的围护结构应设置防水（潮）层”，但并未提出具体的控制指标。《岩棉薄抹灰外墙外保温工程技术标准》JGJ/T 480—2019^［29］针对岩棉薄抹灰外墙外保温系统，以防止内部冷凝造成外墙热工性能下降为控制出发点，明确了不同气候条件下不同基层墙体的防护层水蒸气渗透阻最大值。

《建筑与市政工程防水通用规范》GB 55030—2022^［26］的2.0.6条规定了不同类别工程在不同使用环境类别下，所应具有的最低防水等级。根据要求，外墙防水工程按不同的防水等级应设置不同的防水做法，如民用建筑外墙应进行整体防水设计，且框架填充或砌块结构外墙要求设置2道及以上防水层。然而，设置于外保温外侧的防水材料透气性等具体指标要求仍有待细化明确。《建筑外墙防水工程技术规程》JGJ/T 235—2011^［30］因其编制年代也需要进行修编以便与防水通规保持一致。

在国外，国际标准ISO 13788：2012^［31］通过内表面结露、内部冷凝、干燥潜力评价方法实现外墙防潮设计。EN 15026：2023^［32］采用热湿耦合传递模型开展干燥潜力、内部冷凝、湿积累、风驱雨导致的湿渗透、湿相关热损失分析，实现了防潮、防水与节能的协同设计。ASHRAE 160—2021^［33］则通过热湿耦合模型，聚焦湿相关的霉菌滋生、材料劣化及室内健康风险分析，并明确标准不包含液态水侵入及热舒适相关设计内容。

值得注意的是，传统防水材料往往具有防水隔汽性，虽有助于阻碍液态水进入墙体，但墙体内的水蒸气难以透过防水层完成外墙除湿，甚至造成湿积累。相较之下，兼具防水性能与水蒸气透过特性的防水透汽膜越来越广泛应用于外墙的外侧防水层中。然而，我国现行规范中防水透汽膜的水蒸气控制指标主要以"水蒸气透过量"这一状态参数表征，缺乏可应用于理论计算的量化性能参数，无法开展外墙湿传递模拟及防潮性能验算。

为进一步实现我国防潮设计与防水设计的协同设计，完善防水层的防潮设计要点，实现热湿迁移理论计算与防水工程实践相协调，本文基于不同防潮评价方法开展外墙外保温工程防水层水蒸气控制指标研究，有利于保障外墙外保温工程的耐久性与节能性，具有重要科学意义与工程价值。

2 外墙保温工程防潮评价方法

基于我国建筑材料热湿物性数据库建设现状以及工程应用实用性，本研究采用基于稳态计算的评价方法。参考国内外标准，选取内表面结露、内部冷凝、湿积累、干燥潜力4类评价方法对外墙防潮进行较为全面的分析。

2.1 内表面结露

当墙体内表面温度低于附近空气的露点温度时，空气中的水蒸气在内表面凝结形成液态水，造成霉菌、墙纸变色脱落、室内空气品质下降等问题。内表面结露主要发生于建筑冬季采暖期，其控制指标为外墙内表面温度，控制目标如式（1）所示：

{\theta }_{\mathrm{i}}>t_{\mathrm{i},\mathrm{s}\mathrm{c}}（1）

式中：θ_i为墙体内表面温度，℃；t_i，sc为建筑室内空气露点温度，℃。

2.2 内部冷凝

水蒸气在外墙内部传递时，当外墙内部某一界面温度低于或等于露点温度，即水蒸气分压力高于或等于饱和水蒸气分压力时，水蒸气在该界面凝结形成液态水。液态水不仅会增大外墙的传热系数，影响建筑节能效果，还会降低材料力学性能，影响结构耐久性。外墙内部冷凝的控制目标可表示为：

P_{\mathrm{m},\mathrm{s}}>P_{\mathrm{m}}（2）

式中：P_m，s为外墙内部任一界面的饱和水蒸气分压力，Pa；P_m为外墙内部任一界面水蒸气分压力，Pa。

饱和水蒸气分压力可根据界面温度，结合《民用建筑热工设计规范》GB 50176—2016表B.8确定。基于傅里叶定律和Glaser模型，外墙内部任一界面的温度与水蒸气分压力计算如式（3）、（4）所示：

{\theta }_{\mathrm{m}}=t_{\mathrm{i}}-\frac{R_{\mathrm{i},\mathrm{m}}}{R_{\mathrm{0}}}\left(t_{\mathrm{i}}-t_{\mathrm{e}}\right)（3）

P_{\mathrm{m}}=P_{\mathrm{i}}-\frac{H_{\mathrm{i},\mathrm{m}}}{H_{\mathrm{0}}}\left(P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{e}}\right)（4）

式中：θ_m为外墙内部任一界面温度，℃；t_i为室内空气温度，℃；R_i，m为室内边界到界面的累计热阻，m²·K/W；R₀为外墙总热阻，m²·K/W；t_e为室外空气温度，℃；P_i为室内空气水蒸气分压力，Pa；H_i，m为室内边界到界面的蒸汽渗透阻，m²·h·Pa/g；H₀为外墙总蒸汽渗透阻，m²·h·Pa/g；P_e为室外空气水蒸气分压力，Pa。

2.3 湿积累

当外墙界面发生内部冷凝时，界面存在湿积累现象。湿积累的控制指标常为重量湿度的增量w（%），其控制目标为：

（5）

式中：［w］为重量湿度的允许增量，%。

重量湿度的增量w（%）计算式如式（6）所示：

w=\frac{\mathrm{24}Z}{\mathrm{10}{\rho }_{\mathrm{0}}{d}_{\mathrm{i}}}\times (\frac{P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{s},\mathrm{c}}}{H_{\mathrm{0},\mathrm{i}}}-\frac{P_{\mathrm{s},\mathrm{c}}-P_{\mathrm{e}}}{H_{\mathrm{0},\mathrm{e}}})（6）

式中：Z为采暖期天数，d；ρ₀为材料干密度，kg/m³；d_i为材料厚度，m；P_s，c为冷凝计算界面处与界面温度θ_m对应的饱和水蒸气分压力，Pa；H_0，i为室内边界到冷凝计算界面的蒸汽渗透阻，m²·h·Pa/g；H_0，e为室外边界到冷凝计算界面的蒸汽渗透阻，m²·h·Pa/g。

2.4 干燥潜力

在实际使用中，除了内部冷凝以外，施工进水、外墙破损、风雨侵蚀等原因也会造成外墙内部湿分积累，因此外墙需要具备一定干燥能力，以保证尽快排除内部湿分。国际标准ISO 13788基于Glaser法提出了一种围护结构干燥潜力评估方法，该方法假设围护结构内部某一构造层中心（尤其是介于防水材料与高水蒸气渗透阻材料之间的构造层）存在1kg/m²的过量含湿量，以该中心界面为计算界面，通过式（7）、（8）计算每月的蒸发量，直至过量含湿量为0。

M_{\mathrm{e}\mathrm{v}}=g_{\mathrm{e}\mathrm{v}}\times T（7）

g_{\mathrm{e}\mathrm{v}}={\delta }_{\mathrm{0}}\left(\frac{P_{\mathrm{c}}-P_{\mathrm{e}}}{s{\mathrm{\text{'}}}_{\mathrm{d},\mathrm{e}}}-\frac{P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{c}}}{s{\mathrm{\text{'}}}_{\mathrm{d},\mathrm{i}}}\right)（8）

式中：M_ev为蒸发量，kg/m²；g_ev为水蒸气传递速率，kg/（m·s）；T为时间，s；δ₀为空气的水蒸气渗透系数，一般可取2×10^-10，kg/（m·s·Pa）；s'_d，e为室外到计算界面的水蒸气渗透等效空气层厚度，m；s'_d，i为室内到计算界面的水蒸气渗透等效空气层厚度，m。

3 防水层水蒸气渗透阻分析

3.1 模型设置

水蒸气渗透阻是我国外墙防潮设计常用参数^{［28， 29］}，表征外墙本身或其中某层材料抵抗水蒸气渗透能力，该值可通过材料层的厚度与水蒸气渗透系数计算得到，也可理解为水蒸气渗透过程中水蒸气分压力与水蒸气渗透强度的比值。本文基于4种外墙防潮评价方法，开展不同气候区外墙外保温系统防水层的水蒸气渗透阻分析。选取哈尔滨（严寒）、北京（寒冷）、上海（夏热冬冷）作为典型城市。外墙内表面结露、内部冷凝、湿积累评价主要针对于采暖期，室内外边界条件参考GB 50176—2016设置如表1所示。针对外墙干燥潜力评价，室外边界条件为月平均温度和平均相对湿度，室内温度和相对湿度参考ISO 13788： 2012和我国室内设计参数，根据室外日平均温度对室内边界条件进行设置，如图1所示。

《建筑与市政工程防水通用规范》GB 55030—2022针对不同基层墙体提出了差异化的墙面防水层要求，明确现浇及装配式混凝土外墙应设置至少1道防水层，框架填充或砌体结构外墙应设置至少2道防水层。因此，本文以混凝土外墙和加气混凝土砌块外墙为例开展研究。混凝土外墙的构造层从室内到室外依次为200 mm混凝土基墙、保温材料、防水层、5 mm抹面胶浆。加气混凝土砌块外墙的构造从室内到室外依次为200 mm加气混凝土砌块基墙、一道防水层、保温材料、二道防水层、5 mm抹面胶浆。考虑到不同保温材料的水蒸气渗透系数存在数量级差异，选取岩棉与EPS作为典型保温材料，岩棉的水蒸气渗透系数约为EPS的30倍。为保证外墙的K值符合现行节能标准，保温材料厚度根据全文强制性标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015—2021中居住建筑的外墙传热系数限值确定，外墙的K值分别为0.35W/（m²·K）（严寒地区）、0.45W/（m²·K）（寒冷地区）、0.6 W/（m²·K）（夏热冬冷地区）。材料物理性质参考《民用建筑热工设计规范》GB 50176—2016设置，如表2所示。不同构造层的水蒸气渗透阻如表3所示。可以看出，在传热系数一致的情况下，构造材料的选择会导致外墙水蒸气渗透阻存在明显差异。不考虑防水层的水蒸气渗透阻，严寒地区EPS混凝土外墙的水蒸气渗透阻是岩棉加气混凝土砌块外墙的8倍左右。

3.2 结果分析

3.2.1 内表面结露

各气候区外墙内表面温度及室内空气露点温度如表4所示。由表4可知，当外墙传热系数满足现行标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015—2021外墙传热系数热工限值要求时，外墙内表面温度明显高于室内空气露点温度，内表面不存在结露风险，无需对防水层的水蒸气渗透阻提出额外的要求。

3.2.2 内部冷凝

冬季采暖期水蒸气由室内向室外传递，此时外墙防水层应具有一定透汽性，以避免水蒸气凝结成液态水。选取防水层内侧为内部冷凝计算界面，界面相对湿度应小于100%，则防水层水蒸气渗透阻如表5所示。值得注意的是，由于加气混凝土砌块外墙设置了2道防水，因此在研究二道防水时考虑最不利工况，即不考虑一道防水层的水蒸气阻碍作用。结合表3和表5可以发现，一道防水层的水蒸气渗透阻限值大小与保温层水蒸气渗透阻呈负相关关系，这是由于一道防水层位于保温层内侧，当保温层的水蒸气渗透阻较大时，一道防水层应有较小的水蒸气渗透阻以避免水蒸气凝结于防水层内侧。然而，针对保温层外侧的防水层，即混凝土外墙防水层与加气混凝土砌块外墙的二道防水层，其水蒸气渗透阻限值大小与基层墙体和保温层的水蒸气渗透阻呈正相关关系。最严格的水蒸气渗透阻要求出现在严寒地区岩棉加气混凝土砌块外墙，一方面由于加气混凝土砌块与岩棉的水蒸气渗透阻小，透汽性好，大量水蒸气由室内向室外传递；另一方面严寒地区采暖期室外空气温度极低，二道防水层内侧的饱和水蒸气分压力小，因此位于室外侧的二道防水层需要有极好的透汽性，需小于53.2 m²·h·Pa/g。

3.2.3 湿积累

为保障外墙热工性能，标准针对保温材料湿积累提出了相应的重量湿度允许增量控制指标，其中岩棉与EPS的重量湿度允许增量分别为5%与15%。根据式（5）、（6）可知，针对湿积累的防潮设计控制要点在于保温层外侧需要有良好的透汽性，实现冬季采暖期的保温层重量湿度不超过允许增量，因此对保温层外侧防水层的水蒸气渗透阻进行计算，结果如表6所示。可以看出，防水层的水蒸气渗透阻限值大小与基层墙体和保温层的水蒸气渗透阻呈正相关，当基层墙体与保温层的水蒸气渗透阻较小时，大量水蒸气由室内向墙体渗透，因此位于保温层外侧的防水层也应具有较小的水蒸气渗透阻，以避免阻碍墙体内的水蒸气流出至室外。此外，针对同一构造类型，严寒地区的防水层水蒸气渗透阻要求较其他地区更为严格，这与采暖期室外边界条件息息相关。

3.2.4 干燥潜力

尽管混凝土外墙可以设置一道防水层，但混凝土基墙的水蒸气渗透系数小、厚度大，保温层依然介于防水层与高水蒸气渗透阻的构造层之间，其防水层应与加气混凝土砌块外墙的二道防水层要求一致，即具有一定的水蒸气渗透能力以保证外墙的干燥能力。本文以1年、5年、10年为设计干燥时间，计算基于干燥潜力设计的防水层水蒸气渗透阻，结果如图2所示。可以看出，设计干燥时间越短，防水层的水蒸气渗透阻限值越小，即防水层需要有更强的透汽性。当保温材料水蒸气渗透阻更大时，防水层的水蒸气渗透阻限值要求更为严格，才能保证在设计时间内保温层中心的过量含湿量可以排出至室外。

4 讨论

外墙内部冷凝及湿积累评价均针对冬季采暖期建筑，因此二者计算结果有着较好的一致性。相较之下，外墙干燥潜力评价结果存在明显差异。综合比较可以看出，防内部冷凝与防湿积累设计的严寒寒冷地区防水层水蒸气渗透阻限值较干燥潜力设计更严格。即在满足防内部冷凝与防湿积累设计的情况下，保温层中心的1kg/m²过量含湿量往往可以在1年内干燥。夏热冬冷地区全年降雨量大，建筑采暖空调往往采用分散型间歇供冷/暖模式，热量与湿分传递的驱动势小，仅满足防内部冷凝与防湿积累设计无法保证保温层中心的1kg/m²过量含湿量在1年内干燥。此外，现行防水通规主要对室外侧防水层提出透汽要求，而室内侧防水层也需要有一定的透汽能力以避免内部冷凝风险。因此，有必要测试防水材料的水蒸气渗透系数并进行外墙防潮评价计算，以保障整体防潮性。

5 结语

本文对国内外相关标准开展梳理，采用内表面结露、内部冷凝、湿积累、干燥特性4种外墙防潮评价方法，系统研究了外墙外保温工程防水层的水蒸气渗透阻控制要求，为加强外墙外保温工程防水设计与防潮设计内在联系提出了思路。研究表明，防水层的湿特性不应为单一化的设计要求，而应结合室外气候、外墙外保温构造、防水层位置综合确定。此外，增加防水材料湿物性测试，明确产品水蒸气渗透系数指标，用以支撑防潮性能评价验算，是实现外墙外保温工程防水防潮协同控制的关键。

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[40] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical standard for engineering of external thermal insulation composite system based on rock wool： JGJ/T 480—2019 ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2019.

[41] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑外墙防水工程技术规程： JGJ/T 235—2011 ［S］. 北京； 中国建筑工业出版社. 2011.

[42] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical specification for waterproofing of exterior wall of building： JGJ/T 235—2011 ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2011.

[43] International Standardization Organization. Hygrothermal performance of building components and building elements -Internal surface temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation-Calculation methods： ISO 13788： 2012 ［S］. Switzerland： International Standardization Organization， 2012.

[44] European Committee for Standardization. Hygrothermal performance of building components and building elements. Assessment of moisture transfer by numerical simulation： EN 15026： 2023 ［S］. Belgium： European Committee for Standardization， 2023.

[45] ASTM. Criteria for Moisture-Control Design Analysis in Buildings： A SHRAE 160-2021 ［S］. USA： ASTM International， 2021.

基金资助

“十四五”国家重点研发计划(2022YFC3801600)