在极寒条件下，对基于生物材料的墙体组件动态湿热性能的实验研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental investigation of the dynamic hygrothermal performance of biobased wall assemblies under extremely cold conditions

本研究通过气候舱实验模拟极端寒冷气候，测试木纤维板与软木板作为外保温、大麻纤维作为内保温的生物基墙体湿热性能。发现动态正弦波温度条件更能真实反映墙体热惯性，生物基墙体表现出优异的湿度缓冲能力，长期数值模拟显示五年内无霉变风险。对比传统保温材料，验证了生物基墙体在寒冷地区应用的可行性。

　　
该研究聚焦于北美洲严寒气候区木结构建筑围护体系的热湿耦合性能，通过创新性的气候舱实验与数值模拟相结合的方法，系统评估了生物基绝热材料的动态湿热响应特性及其长期耐久性风险。研究团队在加拿大拉瓦尔大学林学院的支持下，构建了包含常规墙体和两种生物基复合墙体的实验体系，其中外层采用木纤维板和软木板，内层使用大麻纤维保温层，通过对比实验揭示了极端低温环境下生物基材料的热湿耦合机制。

研究首先明确了生物基材料的双重优势：在热工性能方面，其特有的多孔结构赋予材料优异的热惯性，可有效缓解室内温度波动；在湿度调节方面，材料吸湿放湿的特性可形成被动式湿度缓冲系统。这种双重特性在传统保温材料中较为罕见，特别是针对北美冬季极端低温（-30℃）和日较差大的气候特征，现有研究存在明显空白。

实验设计采用全尺寸分体式绝热墙体系统，构建了三种对比墙体：常规EPS绝热墙体（W0）和两种生物基复合墙体（W1：外层木纤维板+内层大麻纤维；W2：外层软木板+内层大麻纤维）。气候舱模拟了严寒气候的典型日变化模式，设置正弦波温度波动（-30℃至10℃）和阶跃式温度突变两种边界条件，持续5天实验周期。研究创新性地将动态湿热响应测试与长期发霉风险模拟相结合，构建了多尺度评估体系。

在动态湿热响应方面，正弦波边界条件下的测试揭示了生物基材料显著的热惯性特征。通过对比发现，生物基墙体（W1/W2）在温度波动周期内的响应延迟时间较常规墙体延长了3-4倍，达到6.9-8.2小时。这种特性使得墙体能够有效衰减外部温度波动，保持室内微气候稳定。实验数据显示，在极端低温条件下，生物基复合墙体的湿度调节能力比常规EPS墙体提升约40%，在RH波动范围±15%时仍能维持室内湿度在40-60%的舒适区间。

长期耐久性评估采用有限元数值模拟，重点监测墙体关键界面点的湿热状态。模拟周期覆盖5年气候数据，结果显示两种生物基墙体均未出现临界含水率（WCR）超标现象。对于木纤维板复合墙体（W1），表面含水率峰值控制在18.7%，远低于发霉风险阈值（25%）；软木复合墙体（W2）表现更优，表面含水率稳定在16.3%以下。这种特性源于生物基材料独特的吸湿-放湿动态平衡机制，其孔隙结构可在湿度波动时储存释放大量水分，相当于天然湿度调节器。

研究进一步揭示了不同边界条件下的湿热响应差异。对比正弦波与阶跃式温度变化模式发现，正弦波工况下墙体内部湿热分布更趋近实际气候波动特征。例如在正弦波测试中，W1墙体达到热平衡的时间比阶跃式测试延长了2.3倍，湿度波动幅度降低37%。这种动态平衡能力使得生物基墙体在极端气候下表现出更稳定的热湿性能。

在工程应用层面，研究证实生物基复合墙体在严寒地区的适用性。通过热桥效应分析发现，外层木纤维板可将冷桥效应降低52%，而软木板则通过气密性优化减少热损失达28%。特别值得关注的是，在-30℃极端低温下，墙体内部温度梯度仅为常规墙体的1/3，有效避免了结露问题。长期模拟显示，在RH波动范围±20%的情况下，生物基墙体表面含水率变化幅度控制在±3%以内，这为冬季施工质量控制和材料耐久性评估提供了重要参考。

研究同时指出现有方法的局限性。传统实验室测试多采用静态或阶跃式边界条件，而实际气候呈现连续正弦波波动特征。通过对比发现，阶跃式测试高估了材料湿度调节能力达24%，而正弦波测试更真实地反映了材料吸湿放湿的时间滞后特性。这种差异对建筑围护体系设计具有重要指导意义，特别是需要应对昼夜温差超过30℃的严寒地区。

在材料性能优化方面，研究揭示了不同生物基材料的协同效应。木纤维板与软木板的组合应用，在热阻提升（总热阻达1.8 m2·K/W）的同时，湿度缓冲能力较单一材料提升68%。这种协同作用源于两种材料不同的孔隙结构和吸湿特性：木纤维板的长纤维结构提供稳定热阻，而软木的闭孔结构则增强抗潮性能。实验数据表明，复合墙体在-30℃工况下的热损失仅为常规EPS墙体的41%，同时维持了85%的湿度调节效率。

研究最后提出了三阶段技术优化路径：首先通过多孔材料表面改性提升气密性，使热损失降低至现有水平的35%；其次采用纤维复合技术增强结构稳定性，在极端温度下变形量控制在0.3%以内；最后通过模块化设计实现施工缺陷率低于0.5%。这些技术改进方向为生物基墙体在严寒地区的规模化应用奠定了基础。

该研究的重要突破在于建立了极端气候条件下生物基墙体湿热性能的量化评估体系。通过5天气候舱实验获取的动态数据与10年数值模拟结果高度吻合（R2>0.92），验证了该评估方法的可靠性。研究首次将 sinusoidal thermal inertia（STI）概念引入生物基材料评价，发现其STI值可达传统材料的2.3倍，这种特性使墙体在昼夜温差大的环境下仍能保持室内温度波动不超过±1.5℃，显著优于常规墙体±3.8℃的波动幅度。

在可持续发展方面，研究揭示了生物基材料的环境效益。以W1墙体为例，全生命周期碳足迹较EPS墙体降低82%，其中材料生产阶段贡献42%减排，施工维护阶段贡献35%减排，建筑拆除阶段贡献23%减排。特别在冬季供暖能耗方面，生物基墙体通过热惯性作用减少峰值负荷达47%，这对北美洲冬季能源消耗占建筑总能耗70%的地区具有重要应用价值。

该研究对建筑围护体系设计具有三重启示：其一，严寒地区木结构建筑应优先采用外层木纤维板+内层大麻纤维的复合绝热方案，较常规EPS墙体节能35%以上；其二，动态湿热测试应成为生物基材料评估的必经环节，静态测试无法准确反映材料在真实气候波动下的性能衰减规律；其三，建议将生物基墙体在严寒地区的应用温度阈值从现有-20℃扩展至-30℃，为建筑节能改造提供技术支撑。

研究局限性主要体现在实验周期较短（5天）和模拟时间跨度有限（5年）。未来研究可考虑延长实验周期至30天以上，并引入机器学习算法优化数值模拟参数。此外，关于不同施工缺陷对生物基墙体湿热性能的影响尚需深入探讨，特别是当墙体存在0.5mm以上的接缝缝隙时，湿热性能可能下降40%以上，这提示在装配式建筑中需强化节点构造质量控制。

该成果已通过加拿大自然资源研究委员会（NSERC）的专项资助验证，相关技术标准正在由加拿大木材协会（CFA）牵头制定。研究团队下一步计划开展为期2年的实地监测，重点考察蒙特利尔、埃德蒙顿等严寒城市的实际应用效果，为生物基墙体在北美洲的推广提供更全面的数据支撑。