Field study of the hygrothermal performance of multi-storey light wood-framed walls in cold zones
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摘要:目的 外墙是轻型木结构建筑的主要围护结构，其热湿性能对建筑耐久性、安全性、舒适性和能源消耗等均有较大影响。为探究室外环境、墙体朝向、楼层高度等因素对寒冷地区多层轻型木结构墙体热湿性能的影响，本研究对天津市某多层混合结构建筑中轻型木结构墙体的热湿性能进行了试验研究。方法 2020年1月1日—2020年12月31日，对试验墙体内部环境温湿度、木骨柱含水率等热湿参数进行持续一年的监测，分析室外温湿度、墙体朝向和楼层高度等因素对墙体热湿性能的影响，评估墙体内部的冷凝风险和霉菌生长风险。结果 墙体空腔内温湿度变化与室外温湿度变化趋势基本一致，木骨柱含水率变化与环境温湿度作用下的平衡含水率变化趋势基本一致，但墙体空腔内温湿度及木骨柱含水率的波幅小于室外环境。短期强降水引起墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率的增长，但增长过程具有一定滞后性。不同朝向墙体的太阳辐射强度不同，使其墙体空腔内温度分布规律为南向 > 西向 > 东向 > 北向，相对湿度分布规律则为北向 > 东向 > 西向 > 南向，木骨柱含水率分布规律为西向 > 北向 > 东向 > 南向，除西向外含水率与相对湿度分布规律基本一致。各楼层的温湿度分布规律明显，1层墙体内温度较低，相对湿度和木骨柱含水率整体偏高，且波幅较大；5—8月，墙体空腔内温度分布规律为4层 > 3层 > 2层，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率分布规律为2层 > 3层 > 4层。结论 墙体空腔内部温湿度和木骨柱含水率受室外环境条件的直接影响，但在室外环境大幅波动变化条件下，墙体内部处于相对稳定的热湿环境。寒冷气候区内，该多层轻型木结构墙体构造能有效阻隔室外水蒸气进入墙体内部，2020年气候条件下墙体空腔内部不存在冷凝和霉菌生长风险。Abstract:Objective The exterior wall is the main enclosure structure of light wood-framed buildings. Its hygrothermal performance has a great impact on the durability, safety, comfort and energy consumption of buildings. In order to explore the influence of outdoor environment, wall orientation, floor height and other factors on the hygrothermal performance of multi-storey light wood-framed walls in cold zone, this study conducted an experimental study on the hygrothermal performance of light wood-framed walls in a multi-storey mixed structure building in Tianjin of northern China.Method The study conducted a field monitoring investigation of multi-storey light wood-framed walls of a hybrid building in Tianjin from Jan. 1st to Dec. 31st, 2020. Temperature and relative humidity of the stud cavity in the test walls, moisture content of wood studs, et al were monitored continuously. The influences of outdoor temperature and humidity, wall orientation and floor height on hygrothermal performance of the wall were analyzed, and the condensation risk and mold growth risk inside the wall were assessed.Result The trends of temperature and relative humidity of the stud cavity were approximately consistent with that of the outdoor environment. The trends of moisture content of wood studs were approximately consistent with the equilibrium moisture content of the stud cavity. While the amplitudes of the temperature and relative humidity of the stud cavity and the moisture content of wood studs were smaller than that of the outdoor environment. Relative humidity of the stud cavity and moisture content of wood studs increased with a time lag under heavy precipitation in a short term. Solar radiation on walls varied with orientations, resulting in the temperature difference. Temperature of the stud cavity in the southern wall was the highest, followed by that of the western, eastern and northern walls, while the distribution of relative humidity was opposite. The relative humidity of the stud cavity in the northern wall was the highest, followed by that of the eastern, western and southern wall. It was shown that the moisture content of wood studs in the western wall was the highest due to the high initial moisture content, followed by that of the northern, eastern and southern wall. Except for the western wall, the distribution of the moisture content of wood studs was roughly consistent with that of relative humidity. Relative humidity and moisture content of the stud cavity on the 1st floor were generally higher with larger amplitudes than the other floors. And its temperature was relatively lower. From May to August, the temperature of walls in the 4th floor was the highest, followed by that of the 3rd and 2nd floor. The relative humidity and moisture content in walls of the 2nd floor were highest, followed by that of the 3rd and 4th floor.Conclusion Temperature and relative humidity of the stud cavity and moisture content of wood studs are directly affected by the outdoor climate conditions, while the hygrothermal conditions in the wall keep relatively stable. The outdoor vapor permeation is effectively retarded by the well-designed light wood-framed wall in cold zones. The cavities of multi-storey light wood-framed walls have no risk of condensation or mold growth in 2020.
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Keywords:
- light wood frame /
- wall /
- hygrothermal performance /
- durability /
- condensation /
- risk of mold growth
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为落实“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”决策部署，提高建筑能源资源利用效率，住房和城乡建设部批准了GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的实施，其中进一步提升了对新建建筑节能设计水平的要求。实现节能要求的关键措施之一是增加围护结构的保温措施[1]。由于保温构造不合理或施工质量不过关[2]，在蒸汽渗透和雨水渗漏等因素影响下，墙体内部可能产生湿积累乃至冷凝结露现象，导致墙体保温性能下降，同时存在霉菌生长风险，直接影响建筑的运行能耗和使用寿命[3-4]。
木结构建筑具有低碳环保、绿色节能、舒适宜居等天然优势[5-6]。轻型木结构是我国现代木结构建筑的主要建筑形式[7]，其外墙的热湿性能对建筑耐久性、安全性、舒适性和能源消耗等均有较大影响[8-11]。现有研究对轻型木结构墙体类型、结构、材料性能、所处的环境条件等墙体热湿性能的影响因素进行了大量模拟和试验。Wang等[12]对不同结构的基本墙体、工字型深腔墙体和外保温墙体等木框架墙体进行了现场试验和模拟分析，得出高保温性能墙体对水分变化更敏感，外保温墙体的霉菌生长风险高于工字型深腔墙体。饶鑫等[13]探究了2种外墙构造的热湿耦合作用和温湿度调节作用，评估了建筑外墙结构冷凝风险和霉菌生长风险。Lee等[14]将不同构造的墙体在韩国各城市气候条件下进行热湿性能模拟，发现不同气候条件下不同构造墙体的热湿性能表现不同，首尔的气候条件应采用铺设防水透气膜和聚乙烯薄膜的墙体结构。
国内学者主要对南方夏热冬冷气候区的单层轻型木结构墙体热湿性能及其影响因素进行模拟和试验分析研究。实际应用中，多层轻型木结构墙体受室外环境、墙体朝向、楼层高度等因素影响，其热湿性能的综合评估更为复杂。基于以上现状，本研究对天津市寒冷气候区下某多层混合结构建筑中轻型木结构外墙的热湿性能进行了试验研究，对试验墙体空腔内部温度、相对湿度、木骨柱含水率等热湿参数进行持续一年的监测，总结多层轻型木结构墙体空腔内部温湿度及其木骨柱含水率的变化规律，分析室外气候条件、墙体朝向和楼层高度等因素对多层建筑中轻型木结构墙体热湿性能的影响，评估影响墙体耐久性的冷凝风险和霉菌生长风险。
1. 研究方法
1.1 建筑和墙体构造
研究选取位于天津市滨海新区的4层木结构–混凝土混合结构办公楼作为试验对象，建筑朝向为南偏西23.1°，建筑面积3 091.20 m2，于2019年9月建造完成，试验期间建筑无供暖制冷系统运行，处于密闭状态。该建筑由钢筋混凝土主体框架和轻型木结构外围护墙体组合而成。轻型木结构墙体在工厂中预制，部分试验墙体内部安装了传感器，运输至建筑现场进行装配。墙体构造如图1所示，详细构造参数如表1所示。
表 1 试验墙体详细构造参数Table 1. Wall configuration details编号 No. 墙体构造 Wall component A 9.5 mm厚防火石膏板（2层） 9.5 mm gypsum board (2 layers) B 木框架（38 mm × 140 mm木骨柱；满填玻璃丝保温棉）
Wood frame (38 mm × 140 mm wood studs; fully filled glass fiber insulation cotton)C 9.5 mm厚水泥压力板 9.5 mm cement pressure plate D 呼吸纸 Weather resistive barrier I 19 mm × 38 mm防腐木顺水条（空气层） 19 mm × 38 mm wood construction for ventilation F 40 mm × 50 mm铝合金挂板条 40 mm × 50 mm aluminum alloy hanging strip for skin G 9.5 mm厚仿木纹水泥纤维挂板 9.5 mm fiber cement board H Omnisense S-11无线传感器 Omnisense S-11 wireless sensor 1.2 传感器布置
选择Omnisense S-11无线传感器监测轻型木结构墙体内部木骨柱含水率（%）、木框架空腔内温度（℃）、露点温度（℃）和相对湿度（%）。工厂预制过程中，选取该建筑1 ~ 4层共50面试验墙体，其中1层的南向和北向各1面墙体，2 ~ 4层的工作区每个朝向各4面墙体（图2）。在所选墙体上方和下方木骨柱侧方各安装一个传感器（图1），共计100个传感器。其中墙体上方传感器安装于窗户侧方木骨柱上，距窗过梁以下400 mm的位置，下方传感器安装于窗户中部的窗下短柱上，距底梁板以上48 mm的位置。
1.3 边界条件
传感器监测记录了2020年1月1日—2020年12月31日墙体内部环境日值数据，包括墙体空腔内温度、相对湿度、露点温度和木骨柱含水率。室外气象数据选用临近天津市滨海新区的塘沽气象站2020年日值数据，包括室外平均气温、平均相对湿度、日降水量、最大风速及其风向等，下载自国家气象科学数据中心官方网站。
2. 结果与讨论
2.1 墙体热湿性能影响因素分析
2.1.1 室外温湿度和降水量的影响
根据室外环境和墙体空腔内部温湿度、木骨柱含水率的整体变化趋势，将全年划分为1—4月、5—8月、9—12月3个时期进行分析。温度变化方面（图3a），全年墙体空腔内部温度普遍高于室外气温，平均温差约4.04 ℃。1—4月，室外气温较低，墙体空腔内温度平均高于室外气温6.3 ℃。其中较冷月1月的室外气温平均值为−0.3 ℃，空腔内温度在9.4 ~ 12.2 ℃之间平缓波动，2—4月随着室外气温的升高，空腔内温度也波动上升，但与室外的温差逐渐减小。5—8月，室外气温整体较高，空腔内与室外的平均温差为2.2 ℃。在平均气温为26.9 ℃的最热月7月和8月，空腔内平均温度约为29.3 ℃。9—12月，随着室外气温的降低，墙体空腔内温度波动下降，空腔内与室外的温差略有增大，为3.6 ℃。在平均气温−1.1 ℃的最冷月12月，空腔内平均温度为3.2 ℃。
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图 3 2020年室外环境影响下墙体空腔内温湿度和木骨柱含水率的全年变化规律Figure 3. Variations of temperature and relative humidity of the stud cavity and moisture content of wood stud under the influence of climate conditions in 2020墙体空腔内部相对湿度和木骨柱含水率变化方面（图3b、c），室外相对湿度与墙体空腔内相对湿度的差值在−27.2% ~ 49.3%之间，空腔内相对湿度的年平均值比室外相对湿度低约5.8%。全年木骨柱含水率约为7.9% ~ 10.8%，符合GB 50005—2017《木结构设计标准》[15]中规格材含水率不应大于19%的要求。1—4月，室外月平均降水量和相对湿度均处于全年较低水平，分别为18.0 mm、53.3%，墙体空腔内平均相对湿度和木骨柱含水率也相对较低，分别为43.9%、8.9%。5—8月，月平均降水量和相对湿度分别为106.9 mm、65.7%，随着降水量的增大及室外相对湿度的上升，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率呈波动上升趋势，平均值分别为61.5%、9.7%。其中，8月总降水量和平均相对湿度达到较大值194.4 mm和76.1%，此时，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率相对较高，分别为68.6%、10.5%。9—12月，随着月降水量和相对湿度的降低，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率波动下降。其中受9月23日125.9 mm大暴雨的影响，9月总降水量累积至232.5 mm，但9月降水频率相对8月有所下降，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率呈下降趋势，而10—12月的月平均降水量较低，为13.7 mm，室外平均相对湿度为49.7%，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率也相对较低，分别为47.2%、8.6%。
短期强降水对墙体空腔内部温湿度和木骨柱含水率的影响方面，选取9月15日— 9月29日作为一个降水周期，分析墙体空腔温湿度和木骨柱含水率变化情况（图4），9月15日发生66.0 mm降水即周期开始，期间在9月23日发生125.9 mm显著降水，直至9月29日发生1.1 mm小降水则周期结束。由图4可知：温度方面，9月23日降水前墙体空腔内温度变化较稳定，降水后室外气温降低约2.2 ℃，空腔内温度也下降约1.6 ℃，随后缓慢回升。相对湿度方面，9月15日降水后墙体空腔内相对湿度随着室外相对湿度短暂下降，随后逐渐增大，但在9月23日室外相对湿度达到峰值时，空腔内相对湿度持续上升至9月28日，该增长周期内，室外相对湿度上升约58.2%，而空腔内相对湿度上升约10.9%。木骨柱含水率和墙体空腔内相对湿度的变化趋势相似，9月15日降水后于9月16日达峰，9月23日大暴雨后木骨柱含水率持续上升至9月28日，增长约0.3%。由此可见，短期强降雨下，相对于室外气候的变化，墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率的增长具有一定的滞后性，且该滞后性普遍存在。
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图 4 2020年9月15日—9月29日墙体空腔内温湿度、木骨柱含水率、相对湿度和日降水量变化情况Figure 4. Variations of temperature and RH of the stud cavity, MC of wood studs, RH and daily precipitation from Sep. 15 to Sep. 29, 2020从全年情况来看（图3、4），墙体空腔内温湿度基本遵循室外温湿度的变化趋势，短期强降水引起室外相对湿度的大幅上升，导致空腔内相对湿度和木骨柱含水率的增长，且增长过程具有一定滞后性，但整体趋势不受影响。从温湿度曲线的全年波幅分布（图5）上看，室外温湿度的年均波幅分别为3.4 ℃、21.2%，而空腔内温湿度年均波幅为1.5 ℃、4.8%，空腔内温湿度的波幅远小于室外。木材含水率趋向于其所处环境的平衡含水率，已知环境温湿度，估算得室外和墙体空腔内平衡含水率[16]（图3c）。由图3c可知：空腔内平衡含水率估算值与室外平衡含水率估算值的整体变化趋势基本一致，木骨柱含水率变化与所处空腔的平衡含水率估算值变化趋于一致。由图5可知室外平衡含水率的年均波幅为2.6%，由于墙体空腔内温湿度变化幅度小于室外环境，墙体空腔内平衡含水率波幅为0.6%。相对于空腔平衡含水率，木骨柱含水率的年均波幅更低，为0.1%，这是由于木材的吸湿和解吸是一个长期过程，木骨柱含水率的变化幅度小于所处环境平衡含水率的变化。室外平衡含水率的年均波幅约为木骨柱含水率的26倍。综合温湿度和含水率的变化可得：该轻型木结构墙体构造能有效阻隔室外水蒸气进入墙体内部，室外环境大幅波动变化时，墙体内部处于相对稳定的热湿环境。
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图 5 2020年室外与墙体内部温湿度和含水率的波幅分布Figure 5. Amplitude of temperature, RH and MC of the stud cavity and climate conditions in 20202.1.2 墙体朝向的影响
不同墙体朝向在全年受到的太阳辐射强度不同，各时期的盛行风向也存在差异。对比不同时期各朝向墙体空腔内部温湿度和木骨柱含水率（图6a ~ c）可知：1—4月墙体空腔内温度分布规律为南向 > 北向 > 西向 > 东向，空腔内相对湿度和木骨柱含水率分布规律为西向 > 东向 > 北向 > 南向。该时期天津地区建筑南向墙面所受太阳辐射强度最高，东西向次之，北向最低[17]。该建筑朝向为南偏西23.1°，结合根据塘沽气象站监测的1—4月风向、风速绘制的风玫瑰图（图7）可知：东风和偏东风的频率最高，西北风次之，东向和西向墙体外表面对流换热较北向墙体更强，导致东向和西向墙体温度低于北向。太阳辐射升高了墙体空腔内部温度，从而加快墙体的干燥速率，降低空腔内相对湿度和木骨柱含水率。西向墙体与其他墙体之间的含水率差距较大，高约0.8% ~ 1.1%，由于该建筑属于新建建筑，此时木骨柱含水率可能受初始含水率的影响较大。
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图 6 2020年不同时期各朝向墙体空腔内部温湿度和木骨柱含水率分布情况Figure 6. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs in different orientations and periods in 2020![]()
图 7 1—4月风玫瑰图源数据引自国家气象科学数据中心。The original data is quoted from the National Meteorological Science Data Center.Figure 7. Wind rose diagram from Jan. to Apr.5—8月，墙体空腔内温度分布规律为南向 > 西向 > 东向 > 北向，且各朝向间温差较小，相对湿度的分布规律相反，为北向 > 东向 > 西向 > 南向。此时建筑东西朝向太阳辐射强度高于南向，北向最低，由于太阳直接辐射强度一般是上午低、下午高，建筑偏西朝向墙面上所受太阳辐射量一般略高于偏东朝向墙体[17]，墙体空腔内温湿度的分布符合建筑各朝向太阳辐射强度的分布规律。木骨柱含水率分布规律为西向 > 北向 > 东向 > 南向，受初始含水率影响，西向墙体木骨柱含水率仍较高，除西向外的分布规律与相对湿度一致。随着建筑运行时间的延长，初始含水率的影响下降，西向墙体与其他墙体间的含水率差距缩小，西向墙体含水率高于其他墙体约0.2% ~ 0.6%。
9—12月，墙体空腔内温度分布规律为南向 > 东向 > 西向 > 北向，相对湿度分布规律为北向 > 东向 > 西向 > 南向，木骨柱含水率分布规律为北向 > 西向 > 东向 > 南向。该时期南向墙体受到的太阳辐射强度最高，东西向次之，北向最低[17]，墙体空腔内温湿度和木骨柱含水率的变化符合太阳辐射强度分布规律，西向墙体木骨柱含水率基本恢复至与其他朝向墙体一致。
结合各朝向墙体空腔内温湿度、木骨柱含水率的平均值与所有朝向总平均值的差值百分比（图6d），可得全年整体分布情况（表2），墙体空腔内温度分布规律为南向 > 西向 > 东向 > 北向，相对湿度分布规律相反，为北向 > 东向 > 西向 > 南向，木骨柱含水率分布规律为西向 > 北向 > 东向 > 南向，除西向外与相对湿度分布规律基本一致。墙体空腔内温湿度和木骨柱含水率的分布规律说明太阳辐射能提高墙体空腔内温度，不同朝向的太阳辐射强度差异对墙体内温度分布有显著影响，从而影响墙体干燥速率。
表 2 各时期不同朝向墙体空腔内温湿度和含水率分布情况Table 2. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs in different orientations and periods时段 Period T RH 木骨柱含水率 MC of wood stud 数据类型 Data type 1—4月 Jan. − Apr. S > N > W > E W > E > N > S W > E > N > S 平均值 Mean 5—8月 May−Aug. S > W > E > N N > E > W > S W > N > E > S 平均值 Mean 9—12月 Sep.−Dec. S > E > W > N N > E > W > S N > W > E > S 平均值 Mean 全年 The whole year S > W > E > N N > E > W > S W > N > E > S 中位数 Median 2.1.3 楼层高度的影响
由各楼层墙体空腔内温湿度和木骨柱含水率的平均值可知（图8a ~ c），1层的2面墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率整体偏高，且波幅较大，墙体空腔内温度较低，与2、3、4层墙体差异显著。这是由于建筑1层在周边建筑物的遮挡下，接受的太阳辐射强度较小，日照时间较短，水分散失速度慢。此外，木骨柱底部靠近地面，受地基和周边土壤潮气等因素影响，加快了木骨柱底部水分的吸收。
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图 8 2020年各楼层墙体温湿度和木骨柱含水率的平均值分布情况Figure 8. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs on different floors in 2020由不同时期各楼层墙体空腔内部温湿度平均值分布可知（图9a、b），各楼层墙体空腔内的温度分布情况相近，在太阳辐射强度最高的5—8月，墙体空腔内温度为4层 > 3层 > 2层，4层和2层相差0.9 ℃。相对湿度的变化则相反，呈现2层 > 3层 > 4层的规律性。这是由于楼层越高，墙体接收到的太阳辐射越强，墙体空腔内部温度相应升高，水分散失速度加快，使得相对湿度下降。
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图 9 不同时期各楼层下墙体温湿度和木骨柱含水率的平均值分布情况Figure 9. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs on different floors in varied periods各楼层木骨柱含水率的分布规律与墙体空腔内相对湿度的分布规律不完全一致（图9c）。5—8月，木骨柱含水率分布规律为2层 > 3层 > 4层，与墙体空腔内相对湿度的分布规律一致。1—4月及9—12月，木骨柱含水率分布规律为3层 > 4层 > 2层。该分布可能是木骨柱初始含水率、周边环境、建筑周围风场、现场的室内外温湿度等因素综合的结果。
2.2 耐久性影响因素风险评估
2.2.1 冷凝风险评估
图10为各层墙体空腔内日平均温度与对应时刻露点温度的差值，其中，各数据点代表2020年100个传感器在墙体空腔内部监测到的日平均温度和露点温度的差值。空腔内日平均温度和露点温度的差值均大于0，表明各层墙体空腔内温度大于露点温度，墙体空腔内部不存在冷凝风险。
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图 10 墙体空腔内日平均温度与对应时刻露点温度差值Figure 10. Difference between daily mean temperature and its dew point temperature at test positions of stud cavities2.2.2 霉菌生长风险评估
结合监测结果和霉菌生长所需的温湿度条件（式1[18]），分析了墙体空腔内部的霉菌生长风险。
RHcrit=(−0.00267T3+0.160T2−3.13T+100,0⩽ (1) 式中：RHcrit为临界相对湿度，%；T为温度，℃。
图11为全年各楼层墙体中不同传感器检测到的空腔内部温湿度条件。从图11中可见：全年各楼层墙体空腔内部温湿度基本处于霉菌生长的不利条件，极少数处于霉菌生长有利条件。建筑1层墙体在8月1日—8月19日间歇处于霉菌生长的有利条件，该时期室外降水量较大，而建筑1层太阳辐射强度低，日照时间短，水分散失速度较慢，同时由于木骨柱底部靠近地面和地基，周边土壤中潮气等因素加快了木骨柱底部水分的吸收，导致空腔内相对湿度较高，温度较低。建筑2层和4层中个别墙体在夏季多雨环境下短暂地处于霉菌生长有利条件。总体上看，各楼层墙体空腔内部处于霉菌生长有利条件的持续时间短，因此当年气候条件下，该多层轻型木结构墙体空腔内部不存在霉菌生长风险。
3. 结 论
本团队对寒冷地区某多层轻型木结构墙体空腔内部热湿性能进行了试验研究，总结了多层轻型木结构墙体空腔内部温度、相对湿度及其木骨柱含水率的变化规律，分析了室外温湿度、墙体朝向和楼层高度等因素对多层轻型木结构墙体热湿性能的影响，评估了墙体可能存在的冷凝风险和霉菌生长风险，得出以下结论：
（1）墙体空腔内温湿度变化基本遵循室外温湿度的变化趋势，短期强降水引起空腔内相对湿度和木骨柱含水率的大幅增长，但增长过程具有一定滞后性。木骨柱含水率变化与环境温湿度作用下的平衡含水率变化趋势基本一致，但墙体空腔内温湿度及含水率的波幅均小于室外环境。寒冷气候区的多层轻型木结构墙体构造能有效阻隔室外水蒸气进入墙体内部，墙体内部处于相对稳定的热湿环境。
（2）墙体朝向影响下，墙体空腔内温度分布规律为南向 > 西向 > 东向 > 北向，相对湿度则相反，为北向 > 东向 > 西向 > 南向，木骨柱含水率分布规律为西向 > 北向 > 东向 > 南向，除西向外与相对湿度分布规律基本一致。
（3）各楼层墙体空腔内的温度分布相近，楼层越高受到的太阳辐射越强，空腔内温度越高。5—8月太阳辐射强度最高且降水量较大，墙体空腔内温度分布规律为4层 > 3层 > 2层，墙体空腔内相对湿度分布规律为2层 > 3层 > 4层。建筑1层墙体空腔内相对湿度和木骨柱含水率整体偏高，且波动幅度较大，墙体空腔内温度较低。
（4）墙体空腔内温度始终大于露点温度，不存在冷凝风险。墙体空腔内部霉菌生长的有利条件集中出现在8—9月，且出现部位少，持续时间短，2020年气候条件下木骨柱不存在霉菌生长风险。寒冷气候区内，该多层轻型木结构墙体构造形式的耐久性较好。
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图 3 2020年室外环境影响下墙体空腔内温湿度和木骨柱含水率的全年变化规律
Figure 3. Variations of temperature and relative humidity of the stud cavity and moisture content of wood stud under the influence of climate conditions in 2020
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图 4 2020年9月15日—9月29日墙体空腔内温湿度、木骨柱含水率、相对湿度和日降水量变化情况
Figure 4. Variations of temperature and RH of the stud cavity, MC of wood studs, RH and daily precipitation from Sep. 15 to Sep. 29, 2020
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图 5 2020年室外与墙体内部温湿度和含水率的波幅分布
Figure 5. Amplitude of temperature, RH and MC of the stud cavity and climate conditions in 2020
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图 6 2020年不同时期各朝向墙体空腔内部温湿度和木骨柱含水率分布情况
Figure 6. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs in different orientations and periods in 2020
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图 7 1—4月风玫瑰图
源数据引自国家气象科学数据中心。The original data is quoted from the National Meteorological Science Data Center.
Figure 7. Wind rose diagram from Jan. to Apr.
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图 8 2020年各楼层墙体温湿度和木骨柱含水率的平均值分布情况
Figure 8. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs on different floors in 2020
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图 9 不同时期各楼层下墙体温湿度和木骨柱含水率的平均值分布情况
Figure 9. Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs on different floors in varied periods
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图 10 墙体空腔内日平均温度与对应时刻露点温度差值
Figure 10. Difference between daily mean temperature and its dew point temperature at test positions of stud cavities
表 1 试验墙体详细构造参数
Table 1 Wall configuration details
编号 No. 墙体构造 Wall component A 9.5 mm厚防火石膏板（2层） 9.5 mm gypsum board (2 layers) B 木框架（38 mm × 140 mm木骨柱；满填玻璃丝保温棉）
Wood frame (38 mm × 140 mm wood studs; fully filled glass fiber insulation cotton)C 9.5 mm厚水泥压力板 9.5 mm cement pressure plate D 呼吸纸 Weather resistive barrier I 19 mm × 38 mm防腐木顺水条（空气层） 19 mm × 38 mm wood construction for ventilation F 40 mm × 50 mm铝合金挂板条 40 mm × 50 mm aluminum alloy hanging strip for skin G 9.5 mm厚仿木纹水泥纤维挂板 9.5 mm fiber cement board H Omnisense S-11无线传感器 Omnisense S-11 wireless sensor 
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表 2 各时期不同朝向墙体空腔内温湿度和含水率分布情况
Table 2 Distribution of temperature and RH of stud cavity and MC of wood studs in different orientations and periods
时段 Period T RH 木骨柱含水率 MC of wood stud 数据类型 Data type 1—4月 Jan. − Apr. S > N > W > E W > E > N > S W > E > N > S 平均值 Mean 5—8月 May−Aug. S > W > E > N N > E > W > S W > N > E > S 平均值 Mean 9—12月 Sep.−Dec. S > E > W > N N > E > W > S N > W > E > S 平均值 Mean 全年 The whole year S > W > E > N N > E > W > S W > N > E > S 中位数 Median
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[1] 杨秀, 张声远, 齐晔, 等. 建筑节能设计标准与节能量估算[J]. 城市发展研究, 2011, 18(10): 7−13. doi: 10.3969/j.issn.1006-3862.2011.10.002 Yang X, Zhang S Y, Qi Y, et al. China’s design standards for energy efficiency and estimation of building energy savings[J]. Urban Development Studies, 2011, 18(10): 7−13. doi: 10.3969/j.issn.1006-3862.2011.10.002
[2] 于水, 王伟, 郑淑, 等. 严寒地区居民建筑室内微生物滋生状况研究分析[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2017, 33(4): 751−758. Yu S, Wang W, Zheng S, et al. Experimental analysis based on the mold harming in northeast residential building[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2017, 33(4): 751−758.
[3] Wang L, Ge H. Effect of air leakage on the hygrothermal performance of highly insulated wood frame walls: comparison of air leakage modelling methods[J]. Building and Environment, 2017, 123: 363−377. doi: 10.1016/j.buildenv.2017.07.012
[4] Wang L, Ge H. Effect of rain leakage on hygrothermal performance of highly insulated wood-framed walls: a stochastic approach[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2019, 46(11): 979−989. doi: 10.1139/cjce-2019-0223
[5] 胡家航, 姬晓迪, 李凤龙, 等. 井干式木结构墙体产品物化环境影响评价[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(6): 116−122. Hu J H, Ji X D, Li F L, et al. Assessment of embodied environmental impact on log wooden wall member[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(6): 116−122.
[6] 张时聪, 杨芯岩, 徐伟. 现代木结构建筑全寿命期碳排放计算研究[J]. 建设科技, 2019(18): 45−48. Zhang S C, Yang X Y, Xu W. Study on life cycle carbon emission of modern wood building[J]. Construction Science and Technology, 2019(18): 45−48.
[7] 何敏娟, 何桂荣, 梁峰, 等. 中国木结构近20年发展历程[J]. 建筑结构, 2019, 49(19): 83−90. He M J, He G R, Liang F, et al. Development of timber structures in China during recent twenty years[J]. Building Structure, 2019, 49(19): 83−90.
[8] Kočí V, Jerman M, Pavlík Z, et al. Interior thermal insulation systems based on wood fiberboards: experimental analysis and computational assessment of hygrothermal and energy performance in the Central European climate[J]. Energy and Buildings, 2020, 222: 110093. doi: 10.1016/j.enbuild.2020.110093
[9] Huang Z, Sun Y. Hygrothermal performance comparison study on bamboo and timber construction in Asia-Pacific bamboo areas[J]. Construction and Building Materials, 2021, 271: 121602. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121602
[10] Zhan Q, Xiao Y, Musso F, et al. Assessing the hygrothermal performance of typical lightweight steel-framed wall assemblies in hot-humid climate regions by monitoring and numerical analysis[J]. Building and Environment, 2021, 188: 107512. doi: 10.1016/j.buildenv.2020.107512
[11] 何金春, 高颖, 袁廷阁, 等. 墙骨柱对轻型木结构墙体保温性能的影响[J]. 中国科技论文, 2020, 15(8): 881−884. doi: 10.3969/j.issn.2095-2783.2020.08.006 He J C, Gao Y, Yuan T G, et al. Effect of studs on the thermal insulation performance of light-weight wooden structure wall[J]. China Sciencepaper, 2020, 15(8): 881−884. doi: 10.3969/j.issn.2095-2783.2020.08.006
[12] Wang L, Ge H. Stochastic modelling of hygrothermal performance of highly insulated wood framed walls[J]. Building and Environment, 2018, 146: 12−28. doi: 10.1016/j.buildenv.2018.09.032
[13] 饶鑫, 杨静, 王正, 等. 2组轻型木结构建筑外墙热湿耦合性能模拟分析[J]. 西南林业大学学报(自然科学), 2021, 41(4): 119−128. Rao X, Yang J, Wang Z, et al. Simulation analysis of thermal and humidity coupling performance of 2 groups of timber-framed structure buildings[J]. Journal of Southwest Forestry University (Natural Sciences), 2021, 41(4): 119−128.
[14] Lee J, Wi S, Chang S J, et al. Prediction evaluating of moisture problems in light-weight wood structure: perspectives on regional climates and building materials[J]. Building and Environment, 2020, 168: 106521. doi: 10.1016/j.buildenv.2019.106521
[15] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 木结构设计标准: GB 50005—2017 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017. Ministry of Housing and Urban-Rural Development. Standard for design of timber structures: GB 5005−2017 [S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2017.
[16] 林伟奇, 肖羽柏, 陈莉. 广州地区木材平衡含水率及吸湿滞后的研究[J]. 林业科学, 1993, 29(2): 139−144. Lin W Q, Xiao Y B, Chen L. Studies on the equilibrium moisture content and moisture absorption hysteresis of wood in Guangzhou region[J]. Scientia Silvae Sinicae, 1993, 29(2): 139−144.
[17] 王立雄, 党睿. 建筑节能[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015. Wang L X, Dang R. Building energy efficiency[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2015.
[18] Fedorik F, Malaska M, Hannila R, et al. Improving the thermal performance of concrete-sandwich envelopes in relation to the moisture behaviour of building structures in boreal conditions[J]. Energy and Buildings, 2015, 107: 226−233. doi: 10.1016/j.enbuild.2015.08.020
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期刊类型引用(3)
1. 陈国杰，侯一帆，汪磊，王钧哲，谢东，王汉青. 建筑多孔围护结构热湿耦合迁移研究进展. 南华大学学报(自然科学版). 2024(01): 1-9 . 
百度学术
2. 魏晓军. 寒冷地区轻型木结构房屋设计研究——以某文化小镇商业街项目为例. 甘肃科技. 2024(04): 6-9 . 百度学术
3. 刘苏遥，谢东，侯一帆，陈国杰. 夏冬两季风驱雨对墙体内部热湿迁移的影响研究. 南华大学学报(自然科学版). 2024(04): 65-73+89 . 百度学术
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