双层Cob原型建筑的热湿性能仪器监测与实时评估及冷凝风险分析

《Case Studies in Construction Materials》：Instrumentation and real-time hygrothermal monitoring of a double-layer Cob prototype and condensation risk assessment

　　

土基建筑作为传统材料的低碳替代方案日益受到关注，但其在多朝向墙体上温度、湿度和热流联合监测的原位热湿行为仍缺乏系统记录。作为CobBauge项目的一部分，研究人员在诺曼底建造了一座双层墙体（结构层与保温层）原型建筑，并对其四个朝向进行了连续监测。选取夏季和冬季各一个三天时段进行分析，结果表明：在无供暖条件下，室内温度在夏季稳定维持在23–29°C之间，冬季维持在13–15°C之间，而室外温度分别波动于13–33°C和?4–11°C；室内相对湿度（RH）保持在50%–60%之间。墙体厚度方向的温度剖面显示四个立面（朝向和厚度不同）之间存在显著差异，东、西立面温度振幅最大。根据这些剖面估算的内、外表面热阻与标准默认值总体一致，但外侧偏差更为明显，可能受局部风和太阳辐射影响。采用Glaser方法进行的冷凝风险评估显示，无论表面还是结构内部均无冷凝风险。然而，这一结果与北墙保温层中记录的相对湿度形成对比——冬季该处RH达到90%，超过了通常公认的80%霉菌风险阈值。这一差异凸显了Glaser方法应用于吸湿性材料时的局限性，并强调了将理论分析与原位测量相结合以可靠评估土基结构热湿行为的必要性。

研究背景方面，建筑行业对低环境影响建造方案的需求日益增长，推动了生物基材料的研究与应用。土基材料因其本地可得性、可回收性、低碳足迹及优异的热湿性能而备受关注，但其固有热阻较低，难以满足现行热工法规要求，限制了其在当代建筑中的广泛应用。CobBauge项目提出双层Cob墙体设计方案——外层为富含纤维的保温层，内层为以土为主的结构层——旨在同时满足热阻法规要求（理论墙体热阻3.25 m2K/W）并保留土基材料的吸湿性能。然而，此前研究多聚焦于热性能而忽视水蒸气迁移问题，且缺乏在多季节、多朝向条件下将热湿表征、墙体热阻原位估算与长期冷凝风险评估相结合的研究。基于此，研究人员对CobBauge仪器化原型建筑开展了系统性热湿评估。

在技术方法方面，研究人员在法国诺曼底圣洛（Saint-L?，气候区H2）建造了23 m2的Cob双层墙体原型建筑（2020年建成），西、南墙厚50 cm，东、北墙厚72 cm。墙体内部埋设K型热电偶（T型）和HIH-4000-003湿度传感器，内外表面安装Hukseflux HFP01热流计，室内外分别配置RAD10E气象防护罩和WS-GP1气象站，通过Campbell CR1000X数据采集器每15 min记录一次。所有传感器安装前均在实验室完成校准。监测数据取自2022年夏季（8月16–18日）和2023年冬季（2月5–7日）各三天时段，并补充2023–2025年连续三年1月份数据用于累积湿度行为分析。采用Glaser方法（ISO 13788:2012）进行表面和内部冷凝风险评估。

研究结果方面：（1）夏季三天Cob建筑行为——室外温度13–33°C、室内23–29°C，室外RH 35%–96%、室内45%–60%，表明Cob墙体有效衰减外部气候波动；保温层中南墙温度变化最大（14°C），北墙最稳定（约23°C），东、西墙振幅相同但相位偏移；结构层温度波动显著衰减，验证了双层生物基材料的热调节效果；北墙保温层RH约85%，其余朝向70%–73%，结构层RH更低更稳定；南墙外表面热流最高，室内热流低且均匀。（2）冬季三天Cob建筑行为——室外温度降至?4°C时室内仍维持约13°C，室内RH稳定而室外RH 60%–97%；保温层北墙RH最高达约90%，南墙最低约73%且波动最大；结构层RH更均匀稳定；冬季热湿通量方向与夏季相反，热流与湿流方向相悖限制了交换并促进保温层湿气累积；南、西墙外表面出现短暂太阳辐射热流峰值，室内热流各朝向稳定。（3）热性能分析与表面热阻估算——东墙外表面温度振幅最大（冬季9.1°C、夏季8.5°C），西墙次之（冬季8.4°C、夏季9.2°C），北墙最小（冬季2.3°C、夏季0.9°C）；东、西立面热衰减率达78%–93%，北立面仅13.4%（冬季）和27.4%（夏季）；Rsi（0.136–0.165 m2K/W）总体高于Rse（0.046–0.065 m2K/W），与标准默认值接近但Rse偏差更大；冬季Rse立面间变异系数（14.3%）高于Rsi（5.7%），夏季趋势反转（Rsi 17.8%、Rse 10.2%）。（4）全年冷凝风险分析——1月为表面霉菌生长临界月（fRsi,min=0.563），但全年fRsi均高于fRsi,min，无表面冷凝风险；北墙全年无内部饱和状态，Glaser方法未预测到内部冷凝风险；但原位测量显示北墙保温层冬季RH达80%–90%，超过80%阈值，揭示了Glaser稳态方法对吸湿性材料的局限性；连续三年1月分析（2023年无供暖、2024和2025年有供暖）均未预测到冷凝，供暖条件下蒸汽压裕度更大，未显示墙体内湿气累积趋势。

讨论部分指出，北墙因缺乏日照暴露而呈现最不利湿度条件，但其在月均条件下仍未预测到冷凝，表明混合结构-保温系统具有 encouraging 的热湿性能，然而这并不排除湿气相关风险，北墙应作为需警惕的指标而非系统失败的标志。Glaser方法的局限性在于其仅预测RH=100%的饱和状态且依赖稳态边界条件，可能平滑掉短时湿度峰值，因此全面湿度风险评估应将Glaser诊断与原位RH阈值监测相结合。研究结论（翻译）：本研究基于对法国诺曼底（Cfb气候）建造的Cob原型建筑的温度、相对湿度和热流原位监测，结合墙体表面热阻估算和Glaser方法冷凝风险评估，对该原型的热湿响应进行了实验评估。结果表明，即使在无供暖条件下，室内温度相对于室外条件仍保持强衰减：夏季室外13–33°C时室内23–29°C，冬季室外?4–11°C时室内13–15°C，室内RH稳定在50%–60%。热流分析证实四个墙体内侧分布均匀，而南、西墙因太阳暴露外侧热流更为显著。温度剖面分析显示东、西立面外表面温度振幅和衰减率最高，北墙热稳定性最强。估算的Rsi和Rse总体接近标准默认值，Rsi始终高于Rse，但Rse偏差更明显。ISO 13788方法确定1月为表面霉菌生长最临界月份。尽管在热湿通量同向期间蒸汽压趋近，但监测年内未预测到表面或内部冷凝风险，连续三个1月的蒸汽压裕度未显示渐进性湿气累积。北墙保温层冬季RH达约90%，超过80%阈值，而Glaser方法未检测到该位置冷凝风险，这一差异说明了Glaser方法的局限性，表明全面湿度风险评估需将Glaser诊断与原位RH监测相结合。本工作的原创性在于在真实条件下的仪器化原型上，将多季节热湿表征、表面热阻原位估算和多年度冷凝风险评估与实际湿度测量相结合，揭示了Cob的热湿调节能力，同时质疑了标准法规方法对吸湿性生物基材料的适用性。