木框架外墙气候调控机理与优化设计

Exterior wood frame wall is a complicated construction system made of various material. The energy consumption and service life of buildings depend on the performance of wall assemblies under diverse climatic conditions. The regulation mechanism of wood frame wall must be studied in order to select materials scientificly and optimize design construction, therefore energy efficiency and durability can be enhanced by designing exterior wall assemble systems that accommodate outdoor climates. In this study climate analysis, regulation mechanism and optimum design will be combined to develop the performance of exterior wall.Design strategy proposed is above the quantitative analysis on regional climate characteristics. The regulation mechanism will be revealed from the aspects of the heat transfer, water vapor diffusion, rain water infiltration, air flow and infiltration, and heat and moisture changes by means of field measurement, testing and simulation. Optimal design of wood frame exterior wall suitable for regional climates is based on the effect analysis of the each material to the overall system functions and performance assessment. The results will provide scientific foundation for the development and utilization of new bamboo and wood engineering materials and building components,which play a significent role in building energy efficiency and low carbon.

木框架外墙是由多种材料组合而成的复杂构造系统，不同气候条件作用下其性能表现，决定着建筑能耗和使用年限。为适应地域气候，必须开展木框架外墙调控机理研究，才能实现材料的科学选择和构造优化设计，从根本上解决外墙的高效节能与耐久问题。本研究将气候分析、调控机理与优化设计三者有机结合，通过地域气候特征定量分析，提出设计策略，然后进行现场实测、试验和模拟。研究热量传递、水蒸气扩散、雨水融水渗入、空气流动和渗透以及热湿变化，揭示调控机理。分析材料及组件配置对外墙整体系统功能的影响，进而通过性能预测评估，优化得到适于地域气候的木框架外墙设计。为我国竹木质工程材料及建筑构件的开发和利用提供科学依据，从而在建筑节能和低碳方面发挥重要作用。

木框架外墙气候调控机理，是外墙新材料和构造系统的整体设计的理论基础，只有对其开展深入研究，才能实现材料的科学选择和构造性能优化，从根本上解决外墙的高效节能与耐久问题。本研究将气候分析、调控机理与优化设计三者有机结合，通过地域气候特征定量分析提出了设计策略，通过现场实测、试验和理论计算，分析热湿变化、含水率分布、热量传递以及材料和组件对外墙性能的影响，揭示了调控机理，设计制造了竹木结构保温墙体，通过热量传递性质研究得到了适于地域气候的节能设计。.对位于太平湖边的竹木结构建筑进行地域气候定量分析，结果表明：试验建筑总体设计要素概括为被动式太阳能、自然通风和空调，试验建筑外墙要加强通风和保温，提高居住舒适性。对外墙各界面层空气温度、相对湿度、含水率和传热系数进行试验测试与分析，结果表明：在室外相对湿度长期高于80%的条件下，通过外墙调节使室内一侧相对湿度能够保持在60%～80%之间，竹木复合外墙板、防潮层、空气层和外挂板组成的防护系统有效阻碍了湿气传递；保温棉填充增大外墙两侧温差，能有效阻碍热量传递；在高湿环境和石膏板墙内侧未安装蒸汽阻隔层时，必须加强外墙内部保温棉/外墙板界面层的通风干燥和外部排水能力，提高材料使用耐久性；做好外墙木框架四周细部处理，加强建筑整体蒸汽隔绝和保温功能。对外墙进行现场实测、实验室测试和数值计算，结果表明：导热系数为0.036 W/(m•K)的玻璃纤维保温棉以70mm厚度填充的木框架外墙，现场实测平均传热系数为0.442 W/(m2•K)，理论计算值为0.435W/(m2•K) ，理论计算值可作为节能设计依据；以89mm厚的聚苯乙烯板为芯层，以木质OSB、重组竹板和竹帘胶合板3种12mm厚的结构板分别为双面覆面层，设计并制备竹木结构保温墙体，测得一维稳态平均传热系数分别为0.405W/(m2•K)、0.415W/(m2•K)和0.422W/(m2•K)，为满足GB/T50361-2005《木骨架组合墙体技术规范》严寒It地区要求，3种保温墙体的聚苯乙烯板理论设计厚度分别为96mm、98mm和97mm。.通过木框架外墙气候调控机理与优化设计研究，掌握了木框架外墙适用于地域气候的设计和系统分析方法，明确了外墙构造设计要点和性能指标影响因素，为我国竹木结构外墙材料的开发和科学利用奠定了基础。