多孔調(diào)濕材料濕緩沖特性的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：利用NORDTEST實(shí)驗(yàn)方法對(duì)中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)（以南京為例）多孔調(diào)濕材料的濕緩沖值（Moisture Buffer Value）進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)，研究濕緩沖值對(duì)建筑能耗及室內(nèi)濕度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高濕度區(qū)間內(nèi)材料的濕緩沖測(cè)定值較大，且不同材料的濕緩沖值存在較大差異。分析表明在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，使用具有吸放濕特性的建筑內(nèi)表面材料可有效降低建筑能耗10%以上，同時(shí)，室內(nèi)環(huán)境濕度也會(huì)得到一定程度的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：多孔調(diào)濕材料；濕緩沖值；濕緩沖值測(cè)定實(shí)驗(yàn)；建筑能耗

中圖分類號(hào)：TU111.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2015）05-0129-06

Abstract：A series of experimental tests using NORDTEST method for evaluating the moisture buffering capacity of different porous hygroscopic materials have been carried out in the Yangtse River downstream area （Nanjing for example），. The impact of MBV on building energy consumption and indoor humidity has also been investigated. The test results show that the MBV of porous hygroscopic materials is larger under higher humidity range， and there was obvious difference when using diverse materials. Research indicates that it may be possible to reduce up to 10% cooling energy consumption in the Yangtse River downstream area（hot and humid climate） in China， when applying hygroscopic materials with well-controlled HVAC systems. Meanwhile the indoor humidity can also be modulated to a certain extent.

Key words：porous hygroscopic materials； moisture buffer value； tests for MBV； energy consumption

多孔調(diào)濕材料在環(huán)境濕度做周期性變化的過程中具有對(duì)水蒸氣“高吸低放”的能力，這種能力稱為材料的濕緩沖能力[1]。建筑室內(nèi)各種多孔材料（墻體內(nèi)墻材料，家具和紡織品等）的濕緩沖作用是影響室內(nèi)濕環(huán)境的重要因素。在目前多數(shù)建筑能耗計(jì)算中往往忽略這一因素對(duì)能耗的影響。然而，民用建筑室內(nèi)多孔材料種類較多，表面積很大，對(duì)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕環(huán)境，緩沖或抑制相對(duì)濕度波動(dòng)，降低潛熱負(fù)荷和改善室內(nèi)舒適性具有顯著的影響。忽略室內(nèi)材料的濕緩沖效應(yīng)，將大大降低能耗計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，我國(guó)長(zhǎng)江中下游濕熱地區(qū)在梅雨季節(jié)使用傳統(tǒng)的空調(diào)除濕方式需要消耗大量的能源，而當(dāng)今能源短缺形勢(shì)嚴(yán)峻，這要求必須將提高室內(nèi)環(huán)境舒適性的手段與建筑節(jié)能相結(jié)合。因此，充分利用多孔調(diào)濕材料的濕緩沖和濕調(diào)節(jié)能力對(duì)提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，降低建筑能耗和提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)耐久性有重要的實(shí)際意義。

針對(duì)調(diào)濕材料的吸放濕特性，已有學(xué)者進(jìn)行了研究。鄭佳宜等[2]采用有效濕滲透厚度模型模擬了周期性濕負(fù)荷作用下硅藻土基建筑材料對(duì)室內(nèi)空氣溫濕度變化的影響；韓星等[3]研究了調(diào)濕材料的作用原理并以已有研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)不同種類調(diào)濕材料的吸濕性能曲線進(jìn)行了對(duì)比分析；冉茂宇等[4]利用封閉箱熱作用法對(duì)調(diào)濕材料在周期性熱濕作用下的吸放濕特性進(jìn)行了測(cè)試和分析；黃子碩等[5]通過實(shí)驗(yàn)得出不同建筑材料在恒溫恒濕環(huán)境下吸放濕速度變化的規(guī)律。濕緩沖理論的提出著眼于多孔材料吸放濕現(xiàn)象對(duì)周圍環(huán)境的影響，是傳統(tǒng)的多孔建筑材料內(nèi)熱濕耦合傳遞[6]研究的延伸和發(fā)展。Rode[7]通過一系列研究全面確立了濕緩沖理論模型和數(shù)值計(jì)算方法，這些研究使?jié)窬彌_以數(shù)值的形式呈現(xiàn)，加強(qiáng)了其客觀性和實(shí)用性。

濕緩沖值的提出對(duì)研究多孔材料濕緩沖現(xiàn)象有著重要的理論價(jià)值。然而，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式以及實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法仍尚未完善，需要開展進(jìn)一步的研究。Oasmaa等[8]利用“Round Robin Test”實(shí)驗(yàn)方法對(duì)建筑材料的濕緩沖值進(jìn)行測(cè)定，規(guī)定了很多實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測(cè)定方法的細(xì)節(jié)；Zhang等[9]提出“Chamber Test”概念，即利用高精度人工氣候室測(cè)定不同材料的濕緩沖性能參數(shù)，并與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。但這些濕緩沖值的測(cè)定方法沒有考慮不同氣候條件下的真實(shí)溫濕度變化情況對(duì)材料濕緩沖值測(cè)定的影響。筆者以幾種常見多孔調(diào)濕材料作為研究對(duì)象，基于調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)不同材料的濕緩沖值進(jìn)行測(cè)定，并探討其在建筑能耗計(jì)算和室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)中的實(shí)際應(yīng)用。

1 濕緩沖值的測(cè)定（NORDTEST法）

1.1 濕緩沖值理論概述

濕緩沖值是指多孔材料暴露在作周期性變化的相對(duì)濕度中時(shí)，單位時(shí)間、單位面積、單位相對(duì)濕度變化量?jī)?nèi)吸收或放出的濕量，其單位是kg/（m2 %RH）。與傳統(tǒng)的濕特性參數(shù)相比，濕緩沖值最大的不同在于：其主要描述材料在相對(duì)濕度變化過程中的動(dòng)態(tài)吸放濕能力，并在動(dòng)態(tài)過程中測(cè)得。目前對(duì)于濕緩沖值的表征方法主要有兩類：

1）濕擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)量化多孔材料的吸濕系數(shù)時(shí)，濕擴(kuò)散率起關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗诖_定典型動(dòng)態(tài)吸放濕條件下材料的儲(chǔ)濕能力方面非常重要。材料表面相對(duì)濕度變化周期內(nèi)的穿透深度是表征上述儲(chǔ)濕能力的一個(gè)重要參數(shù)。

2）有效含水量。即材料在給定的空氣相對(duì)濕度和時(shí)間內(nèi)吸放濕的總量。1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本研究使用Carsten Rode等人提出的濕緩沖值測(cè)定方法，即NORDTEST法來(lái)對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)常用多孔調(diào)濕材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其濕緩沖值相關(guān)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)選用3種建筑材料作為實(shí)驗(yàn)試件。它們分別為纖維水泥、硅藻泥和稻草板。其中，纖維水泥為目前常用的復(fù)合型建筑材料，而硅藻泥、稻草板為新型建筑材料，各試驗(yàn)材料基本性能如表1所示。

試件的尺寸均為60 mm×60 mm×9 mm。實(shí)驗(yàn)采用濕杯法（Cup Method）[10]，以裝有飽和鹽溶液的密封瓶為基本設(shè)置，通過兩種飽和鹽溶液來(lái)維持密封瓶?jī)?nèi)的相對(duì)濕度（相對(duì)濕度33%的氯化鎂飽和溶液和相對(duì)濕度75%的氯化鈉飽和溶液）。實(shí)驗(yàn)裝置的基本構(gòu)成如圖1：

1.3 實(shí)驗(yàn)流程及方法

本實(shí)驗(yàn)干燥器外部恒溫恒濕環(huán)境條件由南京大學(xué)可持續(xù)建筑研究中心的高精度人工氣候室控制，人工氣候室的室內(nèi)溫度設(shè)定為恒定的23 ℃±0.2 ℃，而相對(duì)濕度設(shè)定為恒定的60% ±1.5%（此為NORDTEST法的設(shè)定）。試樣需要在溫度23 ℃±0.5 ℃，相對(duì)濕度50±5%的條件下進(jìn)行預(yù)處理，直到連續(xù)3 d內(nèi)試樣的重量變化不超過其總重量的5%，視為預(yù)處理完成，實(shí)驗(yàn)開始。

該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)周期為24 h，分為兩個(gè)階段：

1）吸濕階段：將已經(jīng)達(dá)到平衡含濕量的調(diào)濕材料試樣置于相對(duì)濕度75%的瓶?jī)?nèi)，每隔1 h用高精度電子天平對(duì)材料試樣進(jìn)行稱重直至8 h后。

2）放濕階段：快速將材料由相對(duì)濕度為75%的密封瓶取出，置于相對(duì)濕度為33%的密封瓶?jī)?nèi)，每隔2 h對(duì)材料試樣進(jìn)行稱重直至16 h后。通過這一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，可以得到材料在吸濕階段（前8 h）和放濕階段（后16 h）分別的含濕量變化數(shù)據(jù)。

8 h的吸濕階段與16 h的放濕階段組成一個(gè)完整的材料吸放濕周期。以24 h為一個(gè)周期，該實(shí)驗(yàn)可重復(fù)多個(gè)周期，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)地趨于穩(wěn)定。最后，根據(jù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到多個(gè)連續(xù)周期內(nèi)材料的含濕量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到3種調(diào)濕材料在一段時(shí)間內(nèi)的含濕量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，其變化趨勢(shì)是由NORDTEST的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)標(biāo)定的，反映的是材料在兩個(gè)恒定的相對(duì)濕度區(qū)間內(nèi)吸放濕的整個(gè)過程。

從圖2中可以看出，在3個(gè)穩(wěn)定周期內(nèi)材料的含濕量隨著時(shí)間變化的關(guān)系：

稻草板和硅藻泥在3個(gè)周期內(nèi)的含濕量變化趨勢(shì)穩(wěn)定，呈周期性循環(huán)，且每個(gè)循環(huán)的吸濕量和放濕量基本維持平衡；纖維水泥板的吸放濕循環(huán)呈階梯狀遞減趨勢(shì)，吸濕量明顯高于放濕量。

濕緩沖值在實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算方法可以簡(jiǎn)化為單位時(shí)間單位面積內(nèi)材料含濕量的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各調(diào)濕材料在吸濕和放濕過程中的濕緩沖值都可以計(jì)算得到，如表2。

由表2可知：

1）硅藻泥在吸濕和放濕階段的濕緩沖值大致相同，對(duì)濕度變化反應(yīng)較為敏捷，但吸濕、放濕量小，因此調(diào)濕作用有限。

2）總體來(lái)看，3種材料在放濕階段的濕緩沖值均高于吸濕階段。

2 針對(duì)熱濕氣候的濕緩沖值測(cè)定

利用NORDTEST法測(cè)定材料濕緩沖值選擇的濕度區(qū)間為33%～75%，但這個(gè)區(qū)間的設(shè)定依據(jù)是北歐地區(qū)的氣候條件，與熱濕地區(qū)的真實(shí)濕度變化區(qū)間并不相同。探討針對(duì)中國(guó)熱濕氣候地區(qū)材料的濕緩沖值的測(cè)定，需要對(duì)該氣候類型下住宅溫濕度情況進(jìn)行調(diào)研作為研究依據(jù)。

2.1 實(shí)地調(diào)研

對(duì)南京地區(qū)的6處住宅（戶型無(wú)重復(fù)）進(jìn)行了梅雨季節(jié)[10]為期兩個(gè)月的實(shí)地調(diào)研，利用高精度溫濕度儀器RC-4HA Data Logger（設(shè)定間隔時(shí)間為10 min）記錄得到大量的溫濕度數(shù)據(jù)信息；此外，還對(duì)每個(gè)住宅的住戶進(jìn)行詳細(xì)的問卷調(diào)查。

根據(jù)調(diào)研住宅的實(shí)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，繪出一段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)相對(duì)濕度的變化曲線。

圖3較為清晰地呈現(xiàn)了熱濕氣候下（圖中截取了7月8日到7月12日5 d內(nèi)的數(shù)據(jù)作為典型代表）住宅室內(nèi)相對(duì)濕度的變化情況。由圖表和數(shù)據(jù)可知：南京地區(qū)在梅雨季節(jié)室內(nèi)相對(duì)濕度波動(dòng)較為明顯，相對(duì)濕度變化區(qū)間為60%至85%，平均相對(duì)濕度為75%，屬于典型的高溫高濕氣候。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本研究選擇4種調(diào)濕材料：纖維水泥板、石膏板、硅藻泥和稻草板進(jìn)行測(cè)定?；谡{(diào)研數(shù)據(jù)，為了更深入地探索適應(yīng)熱濕氣候地區(qū)的測(cè)定方法，在高精度人工氣候室的環(huán)境條件設(shè)定均不變的情況下，對(duì)NORDTEST法中的濕度區(qū)間設(shè)定進(jìn)行了調(diào)整：將相對(duì)濕度區(qū)間臨界值從原來(lái)的33%～75%提高到60%（溴化鈉飽和溶液[11]）～85%（氯化鉀飽和溶液[11]）。這個(gè)區(qū)間與調(diào)研中實(shí)際的濕度變化范圍一致，使標(biāo)定的相對(duì)濕度區(qū)間更接近熱濕氣候地區(qū)的真實(shí)狀況，實(shí)驗(yàn)條件的模擬更為準(zhǔn)確。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先，得到材料含濕量隨時(shí)間和相對(duì)濕度變化的關(guān)系曲線如圖4。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)得到的新區(qū)間下3個(gè)周期內(nèi)調(diào)濕材料的含濕量，可以計(jì)算得到區(qū)間調(diào)整后測(cè)定得到的調(diào)濕材料MBV值，記為MBV1。

NORDTEST法和調(diào)整后的測(cè)定試驗(yàn)均使用纖維水泥、硅藻泥和稻草板3種材料作為對(duì)象，因此，將這3種經(jīng)由不同測(cè)定試驗(yàn)得出的材料濕緩沖值做對(duì)比分析。

由兩種測(cè)試方法得出的材料濕緩沖值數(shù)據(jù)，提出問題和結(jié)論：

1）從硅藻泥和纖維水泥的濕緩沖值看，調(diào)整濕度區(qū)間后測(cè)定值較高；但稻草板的濕緩沖值較調(diào)整前更低。因試樣在實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生膨脹或破損情況，稻草板在數(shù)值方面的反常，考慮可能因?yàn)榈静莅宓臐窬彌_能力與其本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（碎秸稈排列方式的差異、各部分孔隙率的不同、試樣內(nèi)部非勻質(zhì)）有關(guān)[12]。這表明在濕緩沖值測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，材料試樣的制備水平尚需提高。因此，在作數(shù)據(jù)分析和對(duì)比時(shí)，不考慮稻草板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2）從硅藻泥和纖維水泥的結(jié)果來(lái)看，相同材料試件在濕度區(qū)間調(diào)整前后兩次測(cè)定的濕緩沖值的差異明顯；高濕度區(qū)間內(nèi)測(cè)定的材料濕緩沖值較高。由此說明濕緩沖值的測(cè)定方法中關(guān)于濕度區(qū)間的設(shè)定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有直接影響，而研究對(duì)于濕度區(qū)間調(diào)整的探索是有意義的。

3 濕緩沖性能對(duì)建筑能耗以及室內(nèi)環(huán)境的影響

3.1 濕緩沖值對(duì)于室內(nèi)濕度的影響

濕緩沖值主要用于評(píng)價(jià)材料從一個(gè)相鄰空間吸收和釋放水分的能力。它在實(shí)際應(yīng)用中可以用來(lái)估算房間內(nèi)的濕平衡狀態(tài)[13]，以下是一個(gè)計(jì)算示例：給定一個(gè)真實(shí)條件下的房間，該房間的尺寸為4 m×5 m×3 m，房間的體積大約為V=60 m3。設(shè)定房間內(nèi)人的居住和活動(dòng)每個(gè)小時(shí)所釋放的濕量為G=100 g。房間的四周被墻體包裹，取窗墻比0.2計(jì)算可得墻體和頂棚的表面積總和為A=63.2 m2。假定房間沒有通風(fēng)，且空氣的儲(chǔ)濕忽略不計(jì)，那么下面就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)所得到的MBV值來(lái)估算室內(nèi)的相對(duì)濕度在一個(gè)工作日內(nèi)（8 h）變化量[14]。

在不考慮墻體表面有調(diào)濕材料的情況下，可以認(rèn)為該房間的墻體與室內(nèi)環(huán)境沒有濕交換，即吸濕和放濕都為零。而如果墻體表面使用了調(diào)濕材料，以硅藻泥為例，根據(jù)上述針對(duì)熱濕氣候的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的數(shù)據(jù)，稻草板的濕緩沖值為MBV =0.72（g/m2·ΔRH）。假定所有室內(nèi)濕源所釋放的濕都被稻草板墻面材料所吸收，那么相對(duì)濕度的變化量就可以通過吸收的總濕量以及濕緩沖值計(jì)算出來(lái)。

計(jì)算表明，在不考慮室內(nèi)外濕交換的情況下，假定房間內(nèi)濕源所釋放的濕全部被由調(diào)濕材料覆蓋的墻體所吸收，那么在8 h工作時(shí)間內(nèi)，房間內(nèi)的相對(duì)濕度變化量將達(dá)到17.6%，這是非常可觀的變化數(shù)值。由此可見，在沒有其他調(diào)濕手段輔助或干預(yù)的情況下，建筑內(nèi)表面多孔調(diào)濕材料的吸放濕作用對(duì)于房間內(nèi)濕度調(diào)節(jié)有重要的影響。如果將多孔調(diào)濕材料規(guī)模應(yīng)用于建筑內(nèi)表面裝飾，單靠其吸放濕特性也能實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的局部調(diào)節(jié)和適度改善。

3.2 濕緩沖值對(duì)于建筑能耗的影響

目前，南京地區(qū)并沒有普遍使用單獨(dú)的除濕機(jī)等除濕手段，而是通過空調(diào)在調(diào)節(jié)溫度的同時(shí)調(diào)節(jié)室內(nèi)相對(duì)濕度，以達(dá)到室內(nèi)環(huán)境舒適的要求[15]。而為了估算MBV值對(duì)于能耗的影響，這里選擇單獨(dú)運(yùn)行的除濕機(jī)作為計(jì)算的參照，而除濕機(jī)的除濕效率取決于每小時(shí)的除濕量。

根據(jù)資料，家用除濕機(jī)的功率為每平米20～30 W。上述實(shí)際算例所設(shè)定的房間的面積為20 m2，即該房間若采用除濕機(jī)除濕，應(yīng)選用500瓦左右功率的除濕機(jī)。根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算得到的結(jié)果，可以推算出在相同時(shí)間的同一房間內(nèi)，假定調(diào)濕材料充分吸濕，則其效率相當(dāng)于一個(gè)500 W左右的家用除濕機(jī)開啟除濕1.59/1.01=1.6 h，所節(jié)省的電為0.8度電左右，占居民日均用電量的1/10左右，由此表明，使用硅藻泥作為建筑內(nèi)表面裝飾材料，其節(jié)能貢獻(xiàn)率可達(dá)10%。從這個(gè)角度來(lái)看，如果調(diào)濕材料的吸濕性能良好并且大面積使用，其對(duì)于節(jié)能的作用是顯而易見的。

4 結(jié) 論

1）利用NORDTEST法測(cè)定3種調(diào)濕材料濕緩沖特性相關(guān)參數(shù)并計(jì)算其各自的濕緩沖值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3種多孔調(diào)濕材料均具有一定的吸放濕能力和對(duì)于濕度變化的應(yīng)答能力，且調(diào)濕過程呈周期循環(huán)。其中硅藻泥對(duì)于濕度變化反應(yīng)最快，但濕緩沖值相比稻草板和纖維水泥較小，調(diào)濕作用有限。

2）基于實(shí)際調(diào)研分析得出長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨季節(jié)住宅室內(nèi)相對(duì)濕度變化區(qū)間為60%～85%，明顯高于NORDTEST法設(shè)定的濕度區(qū)間值。筆者基于調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)濕緩沖值測(cè)定實(shí)驗(yàn)的濕度區(qū)間進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果顯示，不同濕度區(qū)間內(nèi)測(cè)定結(jié)果差異明顯。濕度區(qū)間臨界值越大，測(cè)定得到的濕緩沖值越大。因此，濕緩沖值的測(cè)定需考慮不同氣候下相應(yīng)的濕度變化區(qū)間這一實(shí)際因素。

3）在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出MBV值在建筑能耗估算以及建筑室內(nèi)濕環(huán)境評(píng)價(jià)方面的實(shí)際應(yīng)用方法。通過實(shí)例分析得出高溫高濕地區(qū)，選擇合適的調(diào)濕材料可有效降低建筑能耗10%左右，還可以對(duì)室內(nèi)濕環(huán)境起到調(diào)節(jié)緩沖作用，提高舒適性。

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（編輯 胡 玲）