建筑多孔飾面磚蒸發(fā)降溫的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究＊

張 磊，馮燕珊，孟慶林，張 玉

（1.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640）

建筑節(jié)能是全社會(huì)節(jié)能減排工作中的重點(diǎn)領(lǐng)域.而直接且有效的建筑節(jié)能方法是設(shè)計(jì)建造低能耗建筑，將建筑設(shè)計(jì)與地域特征相結(jié)合，采用被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境、節(jié)約建筑能耗［1－3］.

建筑蒸發(fā)降溫是一種非常有效的被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù).建筑多孔材料吸水后，在自然氣候要素：太陽輻射，空氣溫度、濕度和風(fēng)速的綜合作用下，多孔材料中的水分會(huì)逐漸遷移至材料層的表面，以水分蒸發(fā)的方式形成對周圍環(huán)境的蒸發(fā)降溫效果，降低城市熱島強(qiáng)度和建筑能耗［4－7］.

室外現(xiàn)場實(shí)測研究可以較為準(zhǔn)確地描述在室外真實(shí)氣象條件下材料的蒸發(fā)降溫過程，但室外實(shí)測受自然條件的限制較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)［8－11］.而在實(shí)驗(yàn)室開展蒸發(fā)降溫實(shí)驗(yàn)研究可以獲得連續(xù)穩(wěn)定的蒸發(fā)降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以復(fù)現(xiàn)，在研究建筑材料動(dòng)態(tài)蒸發(fā)降溫過程方面具有一定的優(yōu)越性［4，12－13］.但為了真實(shí)反映室外環(huán)境，需要對全氣象要素進(jìn)行模擬和控制，從而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)營造與室外氣象條件接近的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在這種環(huán)境下開展的蒸發(fā)降溫實(shí)驗(yàn)研究才具有代表性.

本文采用熱濕氣候風(fēng)洞復(fù)現(xiàn)廣州地區(qū)夏季典型氣象日環(huán)境，研究兩個(gè)相同試件在補(bǔ)水和不補(bǔ)水狀態(tài)下的熱量傳遞過程，采用表面熱流計(jì)法計(jì)算補(bǔ)水和不補(bǔ)水試件的平均熱阻，引入土壤學(xué)的Penman－Menteith蒸發(fā)量計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對該模型中的參數(shù)進(jìn)行修正，將總蒸發(fā)量分解為熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量，分析三者的變化規(guī)律，建立試件外表面的熱量平衡方程，分析入射短波輻射熱量與對流換熱量、輻射換熱量、蒸發(fā)換熱量和導(dǎo)熱換熱量的轉(zhuǎn)化關(guān)系.本文的研究有助于完善建筑材料蒸發(fā)降溫實(shí)驗(yàn)方法，補(bǔ)充用于建筑蒸發(fā)降溫技術(shù)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 研究方法

1.1 熱濕氣候風(fēng)洞

熱濕氣候風(fēng)洞由華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心研發(fā)和建設(shè).該風(fēng)洞構(gòu)造尺寸及其補(bǔ)水裝置示意圖如圖1所示，風(fēng)洞內(nèi)各環(huán)境控制設(shè)備和參數(shù)如表1所示.

圖1 熱濕氣候風(fēng)洞Fig.1 The hot－wet climatic wind tunnel

表1 熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境參數(shù)控制設(shè)備和精度Tab.1 The environment control equipment and precision

1.2 研究對象

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)試件的構(gòu)造完全相同，均由飾面層、防水層和基層組成.試件構(gòu)造和尺寸如圖2所示.基層構(gòu)造為水泥混凝土，四周和底面粉刷防水涂料，上部設(shè)置防水層，以減少基層吸水蒸發(fā)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，防水層構(gòu)造為防水砂漿，其上部為飾面層，選取紅色陶土燒結(jié)多孔飾面磚作為飾面層.該飾面磚尺寸規(guī)格為240mm（長）×50mm（寬）×10mm（厚），飾面磚飽和含水率約為11.80%，半球輻射率為0.83，太陽輻射吸收率為0.76.實(shí)驗(yàn)過程中，保持一個(gè)試件不補(bǔ)水，稱為干試件，另外一個(gè)試件通過風(fēng)洞內(nèi)的補(bǔ)水裝置連續(xù)補(bǔ)水，稱為濕試件，通過記錄試件重量變化來計(jì)算試件的蒸發(fā)量.

圖2 試件構(gòu)造圖Fig.2 The structure of the measurement objects

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)中所用到的實(shí)驗(yàn)儀器及精度如表2所示.實(shí)驗(yàn)儀器通過數(shù)據(jù)采集儀連接到電腦上，記錄間隔為1min.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器匯總表Tab.2 Measurement device and parameters

1.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在風(fēng)洞內(nèi)復(fù)現(xiàn)廣州地區(qū)夏季典型氣候環(huán)境，采用廣州夏季典型氣象日的氣象參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)定值.為實(shí)現(xiàn)試件一維傳熱過程，空調(diào)小室的環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，實(shí)測空調(diào)小室空氣溫度在20～22℃之間變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度、熱流的變化分析

干、濕試件表面溫度和熱流的變化如圖3，圖4所示.在廣州夏季典型氣象日條件下，濕試件連續(xù)補(bǔ)水時(shí)，干、濕試件外表面溫度差異顯著，外表面最高溫度相差10.9℃，干、濕試件內(nèi)表面最高溫度相差6.1℃.從圖4可以看出，濕試件外表面熱流大于干試件外表面熱流，這是因?yàn)闈裨嚰椕娲u吸水后，導(dǎo)熱系數(shù)有所增加，熱阻減少，阻擋熱量傳遞的能力有所下降，造成通過外表面流入內(nèi)部的熱流值有所增加.但濕試件內(nèi)表面熱流仍然顯著低于干試件內(nèi)表面熱流，兩者最大值相差14.8W／m2，平均相差9.0W／m2.

圖3 干、濕試件表面溫度變化Fig.3 The variation of surface temperature on the dry and wet test sample

圖4 干、濕試件表面熱流變化Fig.4 The variation of surface heat flux on the dry and wet test sample

2.2 熱工參數(shù)計(jì)算

本文采用熱流計(jì)法計(jì)算試件的平均熱阻［14－15］，如式（1）所示：

式中R為計(jì)算周期內(nèi)試件的平均熱阻，m2·K／W；Δθi為i時(shí)刻試件內(nèi)外表面溫差，℃；qi，n為i時(shí)刻試件內(nèi)表面熱流，W／m2；k為計(jì)算周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量.根據(jù)材料熱工參數(shù)計(jì)算的干試件理論熱阻值見表3，根據(jù)式（1）計(jì)算的干試件平均熱阻見表4.可以看出，連續(xù)4d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，采用熱流計(jì)法計(jì)算的干試件平均熱阻為0.280m2·K／W，而干試件理論熱阻值為0.288m2·K／W，兩者相對誤差為2.8%，因此，熱流計(jì)法計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以用于計(jì)算濕試件的平均熱阻值，計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表3 干試件理論熱阻值Tab.3 The theory thermal resistance of the dry test sample

表4 實(shí)驗(yàn)試件的平均熱阻值Tab.4 The average thermal resistance of the test samples

有研究表明，材料吸濕后，材料導(dǎo)熱系數(shù)將會(huì)有所增加，熱阻值將會(huì)減少［16－17］.但本文通過熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，結(jié)合表面熱流計(jì)法，計(jì)算得到濕試件的平均熱阻值反而大于干試件的平均熱阻.我們分析，一方面，可以吸水的多孔飾面磚放置于基層上方，多孔飾面磚通過防水砂漿與基層相連，基層周邊采用防水處理，最大程度地減少了基層吸水的可能性，蒸發(fā)過程僅在飾面層發(fā)生；另一方面，多孔飾面層吸水后產(chǎn)生蒸發(fā)降溫效果，在相同內(nèi)外表面溫差的情況下，減少了試件內(nèi)部的導(dǎo)熱量，相當(dāng)于增加了材料的熱阻，這部分增加的熱阻可以稱為飾面層蒸發(fā)降溫效果的附加熱阻.本次研究中，連續(xù)4d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，含濕多孔飾面層的附加熱阻是0.285m2·K／W.

2.3 逐時(shí)蒸發(fā)量分析

1998年聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（簡稱FAO）推薦Penman－Monteith公式（簡稱P－M公式）計(jì)算農(nóng)作物蒸散量，如式（2）所示［18－21］：

式中E為蒸發(fā)量，mm／d或mm／h；Rn為地表凈輻射，MJ／（m2·d）或 MJ／（m2·h）；G 為地表熱通量，MJ／（m2·d）或 MJ／（m2·h）；T為全天平均空氣溫度或逐時(shí)空氣溫度，℃；u為全天平均風(fēng)速或逐時(shí)風(fēng)速，m／s；es為飽和水汽壓，采用式（3）計(jì)算，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，采用式（4）計(jì)算，kPa／℃；γ為干濕表常數(shù)，采用式（5）計(jì)算，kPa／℃；a1，a2，a3為常數(shù)，F(xiàn)AO推薦的常數(shù)如表5所示：

式中P為氣壓，kPa；l為蒸發(fā)潛熱，MJ／kg；cp為定壓比熱，MJ／（kg·℃）；ε為水與空氣的相對分子質(zhì)量之比.

表5 FAO推薦的計(jì)算參數(shù)Tab.5 The calculation parameters recommended by FAO

由于P－M公式及表5中參數(shù)主要用于農(nóng)作物的蒸散發(fā)量計(jì)算，直接用于多孔飾面磚蒸發(fā)量計(jì)算可能會(huì)有較大誤差，因此，本文采用多孔飾面磚蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，重新擬合得到a1＝0.001，a2＝117.089，a3仍采用表5中逐時(shí)計(jì)算周期所用的參數(shù).采用修正后的P－M公式，計(jì)算得到逐時(shí)蒸發(fā)量，并與實(shí)測蒸發(fā)量進(jìn)行比較，如圖5所示.可以看出，修正后的P－M公式計(jì)算逐時(shí)蒸發(fā)量與測試結(jié)果較為接近，平均相對誤差低于10%，可以采用修正后的P－M公式分析多孔飾面磚逐時(shí)蒸發(fā)量變化規(guī)律.

圖5 實(shí)測蒸發(fā)量與修正后的P－M公式計(jì)算蒸發(fā)量的比較Fig.5 The comparison between measured and calculated evaporation

在P－M公式中，等號右邊第一項(xiàng)為熱力蒸發(fā)量，表征了由太陽輻射引起的蒸發(fā)，第二項(xiàng)為動(dòng)力蒸發(fā)量，代表了由于空氣動(dòng)力擾動(dòng)而產(chǎn)生的蒸發(fā)，而總蒸發(fā)量是熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量之和，一天中不同時(shí)間段，熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量在總蒸發(fā)量中所占比例有所不同，如圖6，圖7所示.可以看出，由于熱力蒸發(fā)反映了太陽輻射引起的蒸發(fā)量變化，因此，熱力蒸發(fā)量與太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢基本一致，在上午時(shí)間段，隨太陽輻射強(qiáng)度增加，熱力蒸發(fā)量有所上升，在正午12時(shí)，熱力蒸發(fā)量均達(dá)到最大值，約為0.2kg／（m2·h）；而在下午時(shí)間段，隨太陽輻射強(qiáng)度的減弱，熱力蒸發(fā)量逐漸減少，在夜間（19：00－5：00），熱力蒸發(fā)量低于0.01kg／（m2·h）.動(dòng)力蒸發(fā)量反映了風(fēng)速和相對濕度引起的蒸發(fā)量變化，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速和相對濕度分別在下午16：00和15：00達(dá)到最大值和最小值，因此，動(dòng)力蒸發(fā)量在下午15：00－16：00達(dá)到最大值，然后，隨風(fēng)速的降低和相對濕度的增大，動(dòng)力蒸發(fā)量開始減少，在夜間，動(dòng)力蒸發(fā)量在0.1～0.01kg／（m2·h）范圍內(nèi)變化.由圖7可以看出，在8：00－14：00時(shí)間段內(nèi)，熱力蒸發(fā)占主導(dǎo)，熱力蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量的55%左右，剩余的45%蒸發(fā)量來源于動(dòng)力蒸發(fā)，而在其他時(shí)間段內(nèi)，基本是動(dòng)力蒸發(fā)占主導(dǎo)，特別是在19：00－5：00時(shí)間段，80%以上的蒸發(fā)量來源于動(dòng)力蒸發(fā)，只有低于20%的蒸發(fā)量來源于熱力蒸發(fā).整體來看，動(dòng)力蒸發(fā)對總蒸發(fā)量的貢獻(xiàn)略大于熱力蒸發(fā)，本次實(shí)驗(yàn)96個(gè)小時(shí)，飾面磚共蒸發(fā)水量16.33kg，其中，6.88kg為熱力蒸發(fā)量，占總蒸發(fā)量的42.1%，9.45kg為動(dòng)力蒸發(fā)量，占總蒸發(fā)量的57.9%.

圖6 采用P－M公式將總蒸發(fā)量分解為熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量Fig.6 The total evaporation，thermal evaporation and dynamic evaporation

圖7 熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量所占總蒸發(fā)量的比例Fig.7 The share of thermal evaporation and dynamic evaporation in the total evaporation

2.4 表面換熱量分析

干、濕試件外表面熱量平衡方程分別如式（6），（7）所示：

式中qr，d，qr，w分別為干、濕試件外表面凈短波輻射量，本文采用太陽輻射探頭記錄入射和反射的短波輻射量，兩者之差即為外表面凈短波輻射量，W／㎡；qc，d，qc，w分別為干、濕試件外表面對流換熱量，采用式（8）～（9）計(jì)算［22］，W／m2；qd，d，qd，w分別為干、濕試件外表面導(dǎo)熱量，本文采用表面熱流計(jì)記錄導(dǎo)熱量，W／m2；ql，d，ql，w分別為干、濕試件外表面凈長波輻射換熱量，采用式（14）～（15）計(jì)算［10－12］，W／m2；qe，w為濕試件外表面蒸發(fā)換熱量，采用式（16）計(jì)算，W／m2.

當(dāng)表面溫度大于上方空氣溫度時(shí)：

當(dāng)表面溫度小于上方空氣溫度時(shí)：

式中hc，ext，hc，for和hc，nat分 別 為 表 面 總 對 流 換 熱 系數(shù)、表面強(qiáng)制對流換熱系數(shù)和表面自然對流換熱系數(shù)，單位均為 W／（m2·K）；Rf為表面粗糙系數(shù)；P，A分別為表面周長（m）和表面面積（m2）；Vf為表面上方空氣流速，m／s；Ts，Ta分別為表面及其上方空氣溫度，℃；φ為表面與水平面夾角，水平面為0°，垂直面為90°.

式中ε為發(fā)射率；RL為長波輻射量，W／m2；σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數(shù)，W／（m2·K4）；Ts，d，Tw，d分別為干、濕試件外表面熱力學(xué)溫度，K.

式中E為逐時(shí)蒸發(fā)量，kg／（m2·h）；L為蒸發(fā)潛熱，kJ／kg.

采用公式（6）～（17）計(jì)算得到干、濕試件外表面各項(xiàng)熱流變化曲線，如圖8，圖9所示.對于干試件，在白天時(shí)間段（7：00－18：00），入射到外表面的短波輻射熱量主要用于升高表面溫度，然后表面與周圍空氣、環(huán)境和試件內(nèi)部進(jìn)行對流換熱、長波換熱和導(dǎo)熱換熱，3種熱量交換占總短波輻射熱量的比例約為64.4%，9.6%和26.0%，在夜間時(shí)間段（19：00－6：00），短波輻射熱量和長波輻射熱量接近0，干試件外表面主要以對流和導(dǎo)熱換熱為主，兩者之和接近0，總體來看，干試件外表面熱量呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，熱量收支基本相等.對于濕試件，在白天時(shí)間段（7：00－18：00），入射到外表面的短波輻射熱量主要用于表面的蒸發(fā)，蒸發(fā)換熱消耗了大約64.5%的短波輻射熱量，剩余的10.8%，2.1%和22.6%短波輻射熱量分別轉(zhuǎn)化為表面的對流換熱、長波換熱和導(dǎo)熱換熱.

圖8 干試件外表面各項(xiàng)熱流變化曲線Fig.8 Variation of heat fluxes on the dry test sample

圖9 濕試件外表面各項(xiàng)熱流變化曲線Fig.9 Variation of heat fluxes on the wet test sample

3 結(jié) 論

本文在熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)測試了多孔飾面磚與水泥混凝土組成的干、濕試件的蒸發(fā)降溫過程，研究結(jié)果表明：

1）表面蒸發(fā)降溫對于降低試件外表面溫度和內(nèi)表面熱流效果顯著.本研究中，干、濕試件外表面最高溫度相差10.9℃，干、濕試件外表面平均溫度相差5.0℃，干、濕試件內(nèi)表面最高熱流相差14.8W／m2，平均熱流相差9W／m2.

2）采用表面熱流計(jì)法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到干試件的平均熱阻為0.280m2·K／W.由于濕試件的基層不吸水，僅外表面的飾面層吸水，飾面層含水率為11.8%，在蒸發(fā)過程中降低了流入試件內(nèi)表面的熱流，因此濕試件計(jì)算得到的平均熱阻值為0.565 m2·K／W，顯示比干試件具有更好的隔熱效果.

3）將估算農(nóng)作物蒸散發(fā)量的Penman－Monteith公式引入到建筑多孔材料蒸發(fā)量計(jì)算過程，結(jié)合熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)測數(shù)據(jù)，對P－M公式的系數(shù)進(jìn)行了修正，采用修正后的P－M公式計(jì)算了試件的逐時(shí)蒸發(fā)量，并與實(shí)測蒸發(fā)量進(jìn)行了比較.比較結(jié)果表明，PM修正公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近，平均相對誤差小于10%.采用P－M修正公式，將總蒸發(fā)量分解為熱力蒸發(fā)量和動(dòng)力蒸發(fā)量，在廣州地區(qū)夏季典型氣象日條件下，試件熱力蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量的42.1%，動(dòng)力蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量的57.9%.

4）在白天時(shí)間段，入射到干試件外表面的短波輻射熱量中，分別有64.4%，9.6%和26.0%的熱量轉(zhuǎn)化為對流換熱量、長波換熱量和導(dǎo)熱換熱量，而入射到濕試件外表面的短波輻射熱量中，蒸發(fā)過程消耗了約64.5%的熱量，剩余的10.8%，2.1%和22.6%短波輻射熱量分別轉(zhuǎn)化為表面的對流換熱、長波換熱和導(dǎo)熱換熱.可見，在夏季，蒸發(fā)過程可以顯著降低建筑外表面太陽輻射的熱量，降低表面溫度，減少進(jìn)入房間的熱量，從而節(jié)省空調(diào)能耗.

致謝：感謝評審專家對本文提出的建設(shè)性意見和細(xì)致的修改建議.國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51308223）、廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣州市珠江科技新星項(xiàng)目（2011J2200098）和華南理工大學(xué)中央高校基本科研項(xiàng)目（2013ZM0041，2012ZZ0070）對本文工作提供了資助.

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