内抹调湿砂浆外墙吸放湿特性及对负荷影响分析

Analysis on Moisture Absorption and Discharge Characteristics of External Wall with Internal Wetting Control Mortar and Its Influence on Load

摘要

本文从建筑围护结构节能出发，以内抹WSE（木质纤维Wood fibre、海泡石Sepiolite、膨胀珍珠岩Expanded perlite）基复合调湿保温砂浆外墙为研究对象，将其与内抹普通砂浆外墙对比，分析吸放湿特性及其对负荷的影响.研究使用COMSOL Multiphysics有限元软件的建筑材料热湿耦合模型，分析环境湿度变化与外墙之间的湿迁移变化，以及与外墙的传热传质.以夏热冬冷典型气候地区长沙为例，分析内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙的负荷及潜热负荷占比，同时选取夏热冬暖地区广州和寒冷地区北京对比分析外墙的全年能耗.研究发现，内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙的吸放湿速率远大于内抹普通砂浆的外墙，并能长时间保持高速的吸放湿状态，同时比内抹普通砂浆墙体节省22.31%～23.85%的全年负荷.墙体在吸湿过程中，温升与吸湿速率能力体现出一致性，表明墙体内表面湿迁移对温度有着重要影响，并且湿迁移越大对温度影响越大.墙体在放湿过程中，温度迅速下降是放湿速率快的表现.内抹WSE基复合调湿保温砂浆墙体具有优良的吸放湿特性和节能潜力，可用于建筑围护结构节能.

Abstract

Based on the energy conservation of building envelope， this paper takes an internal plastering WSE （Wood fibre、Sepiolite and Expanded perlite） composite moisture control and thermal insulation mortar exterior wall as a research subject and compares it with an ordinary mortar exterior wall for the analysis of moisture absorption and desorption as well as its impact on energy load. Using a thermal and moisture coupling model of building materials from the COMSOL Multiphysics finite element software， this paper analyzes humidity transferring change between ambiance humidity change and exterior walls， as well as the heat transferring mechanism of exterior walls. For the WSE wall， total heat loads and the rate of latent heat loads to total heat loads are investigated in Changsha represented as a typical area with hot summer and cold winter. Besides， the annual energy consumption of the WSE wall is compared and analyzed in Beijing for cold areas and Guangzhou for hot summer and warm winter areas. It was found that velocities of moisture absorption and desorption of the WSE wall outperformed those of the ordinary mortar exterior wall for a long time. Moreover， the WSE wall can conserve annual energy consumption by 22.31% to 23.85% compared with the ordinary mortar exterior. Temperature rise is consistent with the moisture absorption velocity in the process of moisture absorption of walls， which reflects that moisture transfer has a great impact on temperature on the inner surface of walls. The impact is enhanced with the augment of moisture transfer. For the process of moisture desorption of the wall， cooling velocity is faster for the higher moisture desorption velocity. In conclusion， the WSE wall possesses a superior performance on moisture transfer and energy conservation， and it is conducive to the development of the building envelope in energy conservation.

Graphical abstract

关键词

外墙 / 建筑材料 / 吸放湿特性 / 湿度控制 / 围护结构负荷

室内热湿环境营造包含温度与湿度两方面，合理的外围护结构可使建筑具有良好的保温隔热性能，从而降低建筑能耗. 在外墙内抹被动式复合调湿保温砂浆，可使墙体兼备保温和调湿功能，在节能的基础上为建筑营造一个舒适的室内热湿环境.

被动式调湿材料能与空气中的水蒸气进行交互式吸收、释放，从高湿空气中吸收水汽，同时在低湿环境下能释放内部水汽，从而使环境湿度处于一定范围之内. 常见的调湿材料有沸石、蒙脱石、海泡石、高岭土、硅藻土、火山灰、硅胶等^［1］. 甘翠萍等^［2］将发泡剂加入保温调湿砂浆，从而改善其热湿性能，砂浆的中孔数量、孔容积和比表面积均有所增加，砂浆的干密度和导热系数均降低，吸附性能和保温性能显著提升. 朱珊等^［3］在混凝土里加入沸石粉，研究发现，随着沸石粉用量的加大，吸湿性能逐渐提高，但混凝土的抗压能力先变大后变小. 吴懿^［4］将木质纤维、海泡石、膨胀珍珠岩等调湿材料与水泥按一定比例混合制成WSE（木质纤维Wood fibre、海泡石Sepiolite、膨胀珍珠岩Expanded perlite）基保温调湿抹面砂浆，该砂浆具有保温和调湿功能，可用于调节室内温湿度环境. Xie等^［5］将木质纤维、海泡石、膨胀珍珠岩和水泥混合，制成混合调湿抹面砂浆（CHM-WSE），将砂浆用于实际居住建筑，对其进行实验测量和CFD数值模拟，实验结果和模拟结果保持一致，结果表明CHM-WSE基砂浆在夏季和冬季能提供更舒适的室内环境，具有建筑节能性.

复合调湿保温砂浆属于典型的多孔介质，分析其传热传质原理有利于研究其热湿性能. Fick^［6］在1855年定义了气体扩散过程中分子扩散通量与浓度梯度的关系，并建立菲克第一定律. Luikov^［7］使用温度与含湿量建立热湿耦合传输模型，描述水分迁移与温度之间的耦合关系，指出湿迁移受温度的影响. Budaiwi等^［8］认为多孔材料的湿传递驱动势是空气含湿量和温度，多孔材料内部区域有气相与液相的湿传递，当材料的含湿量比空气含湿量大时，水分扩散的主要形式是蒸汽扩散，液态水扩散可不考虑. Liu 等^［9］将相对湿度作为驱动势建立一种热湿耦合模型，将液态水传递比作毛细压力驱动下的特殊“流”. Hou等^［10］研究压缩稻草砖填充空心混凝土砌块墙体的热湿耦合机理，发现温度和相对湿度梯度会影响多层墙体的热湿性能. Xu等^［11］提出以相对湿度与温度共同驱动的热湿耦合模型，数值模拟了夏热冬冷地区墙体的传热传湿特性，研究发现室内相对湿度对墙体换热过程有显著的影响. Fang等^［12］建立毛细管压力与温度共同驱动的连续热湿耦合模型，并对外保温墙体的夏季工况进行动态模拟，结果表明，保温层与砂浆的交界面处水分积累风险较大. Liu等^［13］采用热湿耦合传热模型和传热模型分别计算气凝胶增强泡沫预制混凝土墙板的热负荷和冷负荷，结果表明，墙体内部温湿度都呈现不规则的周期变化. Alioua等^［14］对Kunzel模型进行灵敏度分析，模拟由椰枣纤维水泥复合材料制成的墙体热湿性能，研究表明模拟中必须考虑液体传递，才能准确预测墙体的湿度分布. 何雪琼等^［15］对驱动势的方程与系数进行了修正，将空气含湿量与温度作为驱动势，建立多孔介质墙体的非稳态热湿传递耦合模型，可用于计算附加空气层的多层墙体内温湿度动态分布规律. 罗羽等^［16］在室内恒温恒湿环境下，测量多层加气混凝土墙体表面及内部不同区域的温湿度分布，结果表明，热传递对湿传递促进的作用明显大于湿传递对热传递的作用.

目前关于WSE基复合调湿砂浆墙体的吸放湿特性对传热传质的影响规律和节能潜力的研究较少，本文以内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙为研究对象，使用COMSOL Multiphysics有限元软件建筑材料热湿耦合模型作为数值计算工具模拟分析此类墙体的吸放湿特性及对负荷影响，为WSE基复合调湿保温砂浆的研究与应用提供参考.

1 内抹WSE基复合砂浆外墙

WSE基复合调湿保温砂浆是一种新型绿色被动式调湿抹面砂浆，以下简称WSE基砂浆，主要成分如表1所示.本课题组吴懿^［4］发现，因集料中加入海泡石，砂浆出现丰富有序的层状多孔结构，可以有效地为水蒸气提供吸附位；木质纤维可以为材料内部构建紧密的立体结构，极大提高材料的保温性能和结构强度；膨胀珍珠岩是一种无机轻质兼具防火性能的绝热材料，可有效提升抹面砂浆的保温性能. WSE基砂浆多次导热系数测试结果为0.115±0.005 W/（m·k），满足建筑用保温材料0.12 W/（m·k）的限定值. 将WSE基砂浆用于墙体，可增加墙体保温和调湿功能.

本文研究对象选取夏热冬冷地区传统居民建筑常用的粘土砖外墙，同时不设置保温层，在外墙上内抹WSE基砂浆，为分析其热湿性能，将其与内抹普通砂浆墙体进行对比. 根据内侧抹面砂浆不同分为两种外墙，墙体材料构造见表2.

2 吸放湿特性及对负荷影响分析方法

2.1 热湿耦合传递模型

采用COMSOL Multiphysics建筑材料模块作为计算主要工具，建筑材料湿传递方程：

\xi \frac{\partial \phi }{\partial t}-\nabla \cdot \left[\xi D_w\nabla \phi +{\delta }_p\nabla (\phi P_{sat})\right]=G（1）

式中：ξ表示材料等温吸放湿曲线的斜率，kg/m³；\phi表示相对湿度，%；t表示时间，s；D_w表示水分扩散系数，m²/s；δ_p表示水蒸气渗透系数；P_sat表示水蒸气的饱和压力，Pa；G表示湿源头，kg/（m³·s）.

建筑材料热传递方程：

\left({\rho }_{\mathrm{s}}{C}_{\mathrm{p},\mathrm{s}}+w{C}_{\mathrm{p},\mathrm{w}}\right)\frac{\partial T}{\partial t}-\nabla \cdot \left[k_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla T+L_{\mathrm{v}}{\delta }_p\nabla (\phi P_{sat})\right]=Q（2）

式中：ρ_s表示绝干材料密度，kg/m³；C_p，s表示绝干材料比热容，J/（kg·K）；ω表示空气含湿量，kg/kg；C_p，w表示水的恒压热容，J/（kg·K）；T表示温度，K；k_eff表示有效导热系数，W/（m·K）；L_v表示汽化潜热，J/kg；Q表示内热源，W/（m³·s）.

仅考虑与环境空气换湿情况下，墙体湿迁移边界采用环境中的水蒸气分压力与墙体表面水蒸气分压力差作为传湿的驱动力.

通过墙体内表面的湿流量：

g_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}={\beta }_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(p_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}-p_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)（3）

通过墙体外表面的湿流量：

g_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}={\beta }_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(p_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-p_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)（4）

式中：g_int、g_ext分别表示墙体室内侧、室外侧表面的湿流量，kg/（m²·s）；β_int、β_ext分别表示墙体室内侧、室外侧表面的水分迁移系数，kg/（Pa·m²·s）；p_int、p_ext分别表示室内、室外环境水蒸气分压力，Pa；p_surf，int、p_surf，ext分别表示墙体室内侧、室外侧表面水蒸气分压力，Pa.

墙体表面边界上传热量包含对流传热（显热）和传湿引起的热量变化（蒸发潜热），同时对于墙体的外表面，还需要考虑太阳辐射带来的辐射换热.

通过内表面的热流量表述为：

q_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}=h_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(T_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)+L_{\mathrm{v}}{\beta }_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\left(p_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}-p_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}\right)（5）

通过外表面的热流量表述为：

q_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}=h_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(T_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+L_{\mathrm{v}}{\beta }_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(p_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-p_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+\alpha I（6）

式中：q_int、q_ext分别表示通过墙体室内侧、室外侧表面的热流量，W/m²；h_int、h_ext分别表示墙体室内侧、室外侧表面的对流换热系数，W/（m²·K）；T_int、T_ext分别表示室内环境、室外环境的干球温度，K；T_surf，int、T_surf，ext分别表示墙体室内侧、室外侧表面温度，K；L_v表示汽化潜热，J/kg；α表示墙体外表面对太阳辐射的吸收率；I表示墙体表面垂直方向入射太阳总辐射强度，W/m².

2.2 外墙负荷计算

外墙室外侧负荷一般由两部分组成，即空气对流换热与辐射换热，在考虑湿量传递的前提下，墙体室外侧热交换公式为：

q_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}=h_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(T_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+L_{\mathrm{v}}{\beta }_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\left(p_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-p_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{f},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}\right)+\alpha I+Q_{\mathrm{1}\mathrm{w}}（7）

式中：q_ext表示通过墙体室外侧表面热流量，W/m²；h_ext表示墙体室外侧表面对流换热系数，W/（m²·K）；T_ext表示室外环境的干球温度，K； T_surf，ext表示墙体室外侧的表面温度，K；L_v表示汽化潜热，J/kg；Q_lw表示外围护结构与环境的长波辐射，J.

从公式中可以发现，负荷由潜热和显热两部分组成，在不考虑潜热负荷时，工程上通常会将空气对流传热与辐射换热结合起来，类比于表面对流换热，形成等效的空气综合温度T_z，该温度相当于空气干球温度上增加一部分等效的辐射温度，具体见公式（8）.

T_{\mathrm{z}}=T_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}+\frac{\alpha I}{h_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}}-\frac{Q_{\mathrm{l}\mathrm{w}}}{h_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}}（8）

围护结构长波辐射的计算比较复杂，由于辐射角系数取决于辐射对象的形状、距离、以及角度，需求数据较多，计算烦琐，通常以经验公式计算，对于外墙，垂直面取Q_{\mathrm{l}\mathrm{w}}=\mathrm{0}^［17］，由于外墙的结构一般是垂直面，所以一般忽略长波辐射Q_{\mathrm{l}\mathrm{w}}的影响.

2.3 吸放湿模拟参数

吸放湿模拟研究外墙在室内环境极端波动情况下内部的热湿迁移. 初始条件，假定室外平均温度设置24 ℃，相对湿度50%，模拟环境取白天多云，太阳辐射取300 W/m²，外表面太阳辐射综合吸收系数取0.4，室内温度24 ℃，相对湿度60%. 模型先进行自运行，将墙体算至稳态，然后将稳态墙体内部节点温湿度值的结果作为初始值计算. 吸湿模拟中，室内为高湿环境，室内温湿度设置为24 ℃、80%，时间步长设为0.01 h，模拟计算10 h. 放湿模拟中，室内为低湿环境，室内温湿度设置为24 ℃、40%，时间步长设为0.01 h，模拟计算10 h. 墙体材料的热湿物性参数见表3.

其中水扩散系数D_{\mathrm{w}}的计算可以根据水蒸气渗透系数{\delta }_{\mathrm{p}}得到^［21］.

D_{\mathrm{w}}={\delta }_{\mathrm{p}}\frac{\phi {\rho }_{\mathrm{v},\mathrm{s}}}{{\rho }_{\mathrm{l}}}（9）

式中：ρ_v，s表示饱和水蒸气的密度，kg/m³；ρ₁表示液态水的密度，kg/m³.

墙体边界采用对流换热的方式，墙体外表面对流换热系数取23 W/（m²·K），墙体内表面对流换热系数取8.7 W/（m²·K）. 内外表面传质系数通过刘易斯关系式求得（令刘易斯数为1）.

h_{\mathrm{m}}=\frac{h}{c_{\mathrm{p}}{\rho }_{\mathrm{a}}}（10）

式中：h_m表示表面对流传质系数，m/s；h表示表面对流换热系数，W/（m²·K）；c_p表示空气定压比热容，kJ/（kg·K）；ρ_a表示空气密度，kg/m³.

2.4 外墙负荷计算参数

WSE基砂浆本质上属于内抹砂浆材料，保温性能低于传统EPS板、XPS板等轻型保温板，适用于对保温隔热要求比较低的夏热冬冷地区、夏热冬暖地区，以及部分寒冷地区. 为研究WSE基砂浆墙体的适用性，选取夏热冬冷地区长沙作为典型区域城市进行具体分析. 长沙夏季炎热，冬季寒冷，雨季长，全年处于高湿状态，夏季热湿负荷大，冬季温度较低. 在外墙全年能耗分析中，再选取夏热冬暖地区广州和寒冷地区北京进行节能潜力研究. 相关室外气候参数选自中国气象局专业气象资料《中国建筑热环境分析专用气象数据集》^［22］.

围护结构保温性能好坏通常是以墙体传热系数来评估的，例如对于夏热冬冷地区的公建建筑，标准传热系数K限制为1.0. 实际上针对围护结构不仅要考虑传热系数，还应考虑墙体蓄热能力，对室外峰值温度的延时性.基于此，下面以全年空调季节的墙体总传热量作为冷热负荷指标，研究传统粘土砖墙体内抹WSE基砂浆后在不同地区的总冷热负荷量大小，评估节能性. 计算中，夏季采用空调制冷，额外的湿负荷会在表冷器上冷凝产生潜热量，而冬季，不会产生冷凝热，故总负荷计算夏季考虑潜热负荷，冬季不考虑. 负荷计算时选取遮阳工况，不考虑太阳辐射. 室内设计温湿度与日期见表4，模拟过程中考虑到墙体的传湿速率缓慢，初始含湿量会对能耗分析产生误差，所以逐时负荷模拟均提前2个月，消除墙体初始值带来的影响.

2.5 模型有效性验证

本文使用国际Norm 15026中的标准案例进行模型有效性验证，模型的几何由一单层无限大的建筑材料构成，且材料的气密性较好，将其看作半无限大区域，材料初始状态温度为20 ℃，相对湿度为50%，左边界为固定温湿度边界条件，温度为30 ℃，相对湿度为95%，具体的材料参数详见文献［23］. 仿真模拟一年，取7 d、30 d、365 d的含湿量和温度曲线分别进行对比，结果见图1和图2.从图中可以看出， 7 d、30 d、365 d温度湿度曲线都在有效数据范围之内，所以该模型计算具备有效性.

3 结果与讨论

3.1 墙体吸湿特性对传热传质的影响

墙体内表面吸湿过程水汽通量对比如图3所示，水汽通量为正值表示内表面从空气中吸收水分.

总体上，墙体吸湿量随时间增加而减少，前5 h吸湿速率明显大于后5 h，吸湿现象随环境波动而变化，但并不能一直保持高速率状态. 对比两种墙体，外墙2吸湿速率远大于外墙1，在1 h节点处，外墙2为外墙1的2.69倍. 在10 h节点处，外墙1的边界水汽通量为0.96×10^-6 kg/（m²·s），而外墙2为外墙1的3.10倍，外墙2由于材料含湿量较大，保持高吸湿速率的时间长. 吸湿过程中，伴随着湿量的传递，在材料表面水蒸气会发生相变，产生蒸发潜热，从而对温湿度造成影响，如图4所示，吸湿过程开始阶段，室内环境水蒸气分压力远大于墙体内表面的水蒸气分压力，材料含湿量增加，伴随着水蒸汽发生相变，相变产生大量的热不能及时的向墙体内部传导，导致墙体内表面温度迅速提高，外墙2内表面温度的峰值大于外墙1，外墙1最大温度比初始温度高0.34 ℃，外墙2最大温度比初始温度高1.12 ℃，可以看出温升与吸湿速率能力体现出一致性，反映内表面湿迁移对温度有着重要影响，湿迁移越大对温度影响越大.随着吸湿速率的下降，外表面温度也逐渐趋于稳定.后续温度逐渐下降，这与平衡含湿量有关，相较于普通砂浆，WSE基砂浆内部湿量储蓄能力更强.

从图5可以看出，内表面相对湿度随时间逐渐增加，侧面反映墙体内表面吸湿过程的发生，墙体内表面相对湿度变化十分迅速，外墙1内表面相对湿度上升快，且在4 h时几乎保持稳定，而外墙2内表面相对湿度上升较慢，且持续时间长.

图6~图9分别为外墙1与外墙2在室内环境湿度突增的情况下，墙体内部温湿度随时间变化的曲线. 从图中可以看出，墙体温湿度是随着环境改变而变化的，室内环境湿度改变，对相邻墙体的内表面影响非常明显，而靠近室外的墙体部分几乎没有影响. 同时外墙2内部温湿度波动幅度大于外墙1，环境湿度波动对墙体内表面影响显著，反映WSE基砂浆对环境湿敏感性强的特点.

3.2 墙体放湿特性对传热传质的影响

图10展示了在室内湿度突然下降时，两种墙体内表面放湿过程水汽通量的对比.从图中可以观察到WSE基砂浆相较于普通砂浆，对室内温湿度敏感程度较高，在室内湿度下降时，能迅速释放大量的水分补充至室内环境.1 h时刻，外墙1内表面水汽通量为-1.92×10^-6 kg/（m²·s），外墙2内表面为外墙1的3.65倍. 随着放湿的时间增加，墙体内部水分逐渐减少，放湿变缓，外墙1在5 h左右，基本已完成放湿，放湿曲线趋于平缓.总体上，WSE基砂浆能维持较长的高速放湿，原因是WSE基砂浆多孔的结构能储存更多的水分，与环境进行湿交换. 最后10 h的时刻，外墙1内表面的水汽通量为-5.46×10^-7 kg/（m²·s），外墙2内表面是外墙1的2.21倍.

在放湿过程中，由于汽化潜热，会吸收墙体内表面大量的热，图11中，放湿开始阶段墙体内表面温度均迅速降低，而外墙2表面温度下降幅度比外墙1大，外墙1与外墙2温度下降最大幅度分别为0.25 ℃、1.09 ℃，温度迅速下降是放湿速率快的表现.

从图12可以看出，随着时间增长，放湿速率减缓，温度逐渐回升，趋于稳定. 10 h时刻，外墙1内表面的相对湿度为37.8%，外墙2内表面的相对湿度为39.4%，WSE基砂浆比普通砂浆湿度更大.

图13~图16展示了在放湿过程的不同时刻里，外墙1与外墙2的温度与相对湿度之间的差异. 放湿过程中，环境湿度变化对两类墙体内表面层和部分砌体层的温度影响较大，这部分的温度随时间逐渐减小，并趋于稳定. 放湿过程初始阶段，两类墙体的相对湿度分布均呈现单调递增的趋势，在界面1和界面2，由于墙体材质的不同，相对湿度曲线会有差异. 随着放湿开始，靠近室内环境的墙体内表面层以及部分砌体层，相对湿度明显下降，越靠近墙体内表面，相对湿度越低. 结果表明，室内环境湿度降低，对墙体靠近内侧的部分相对湿度影响巨大，且距室内环境越近，影响越大，靠近室外侧的墙体部分几乎不受影响，外墙2受室内湿度降低的影响程度高于外墙1.

3.3 外墙全年负荷计算

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》1971―2003年平均气象参数，得到逐时夏季冷负荷与冬季热负荷如图17~图18所示，负荷的波动呈现周期性变化，这与室外温度的周期性波动一致. 从逐时总冷热负荷大小来看，外墙2逐时总负荷均小于外墙1，说明对室外气象变化，内抹 WSE基砂浆墙体具有更好的抗干扰力.

内抹WSE基砂浆墙体夏季逐时负荷组成见图19，显热负荷与潜热负荷的总体趋势较为接近，均呈周期性变化，但逐时潜热负荷占比会随时间小幅波动.

表5列出了各地区遮阳墙体全年负荷及潜热负荷. 其中，夏热冬冷地区长沙夏季潜热负荷占比非常大，外墙2占比为33.28%，而外墙1只占20.16%，原因主要是长沙地区室外湿度大，传湿能力强的WSE基砂浆在向室内传热时，会传递大量的湿量，给室内带来更多的湿负荷，同时蒸发会吸收大量热导致墙体表面温度降低，从而降低显热负荷的比例，可以理解为当两面墙逐时负荷相等时，传湿能力强的墙体湿负荷比例更大，墙面温度更低. 冬季工况与夏季工况不同，冬季室内外热质交换以传热为主，传质只占很小比例，外墙2传质换算的潜热负荷为显热负荷的3.10%，外墙1为1.27%. 从冬夏季节能量消耗的角度分析，外墙2夏季总负荷为外墙1的77.79%，冬季总负荷比例为76.50%，该地区普通墙体内抹WSE基砂浆将减少全年23.35%的运行能耗.

夏热冬暖地区广州夏季外墙2潜热负荷占比为27.54%，外墙1占比16.78%. 外墙2的潜热负荷为显热的7.18%，外墙1为3.90%. 该地区普通墙体内抹WSE基砂浆将减少全年22.31%的运行能耗.

北京地区夏季负荷很小，全年能耗主要来源于冬季. 夏季外墙2潜热负荷占比为77.22%，外墙1占比46.31%. 与长沙和广州不同，北京地区冬天总的湿传递方向是墙体向室内吸湿，冬季外墙2的潜热负荷为显热的1.49%，外墙1为0.40%. 该地区普通墙体内抹WSE基砂浆将减少全年23.85%的运行能耗.

图20~图22展示不同地区各月份由墙体传热传湿引起的总能耗，从图中可以看出，在不考虑太阳辐射的情况下，冬季能耗远大于夏季能耗，且外墙2各月能耗均低于外墙1. 广州夏季与冬季能耗差距较小，而长沙和北京冬季能耗远大于夏季能耗. 全年总能耗最大的城市是北京，全年总能耗最小的城市是广州，典型城市总能耗排序呈现由南至北逐渐增大的规律.

4 结 论

从围护结构节能和室内舒适环境营造出发，本文以内抹新型高效复合调湿保温砂浆的外墙与普通外墙为研究对象，对比分析其吸放湿特性及对负荷影响，得到的主要结论如下：

1）使用COMSOL Multiphysics建筑材料热湿耦合模型对内抹WSE基复合调湿保温砂浆外墙与普通砂浆外墙进行吸放湿模拟研究，结果表明WSE基砂浆吸放湿量远大于普通砂浆，同时可长时间保持较大的吸放湿速率，吸湿10 h时WSE基砂浆的吸湿速率为普通砂浆的3.11倍，放湿10 h时 WSE基砂浆放湿速率是普通砂浆的2.21倍；

2）墙体在吸湿过程中，温升与吸湿速率能力体现出一致性，表明墙体内表面湿迁移对温度有着重要影响，湿迁移越大对温度影响越大. 墙体在放湿过程中，温度迅速下降是放湿速率快的表现.

3）将墙体内抹的普通砂浆改为WSE基复合调湿保温砂浆，对比分析其在不同地区节能潜力，研究发现，改造后的墙体可有效降低22.31%~23.85%的全年负荷. 夏季潜热负荷占比大，冬季较小，能耗计算中不可忽视潜热负荷带来的影响.

综上所述，内抹WSE基复合调湿保温砂浆墙体具有良好吸放湿特性和节能潜力，可用于建筑围护结构节能. 本文研究可推动WSE基复合调湿保温砂浆的研究与应用，为建筑室内热湿环境营造，围护结构节能等关键性问题提供参考.

参考文献

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基金资助

国家科技支撑计划（2015BAJ03B00）