墻體材料理論濕滲透模型與應(yīng)用分析

萬(wàn) 航 徐新華 嚴(yán) 天

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墻體材料理論濕滲透模型與應(yīng)用分析

萬(wàn) 航 徐新華 嚴(yán) 天

（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074）

在室內(nèi)外環(huán)境的影響下，墻體內(nèi)存在熱濕傳遞。建立了單層墻體材料（或調(diào)濕材料）理論濕滲透模型并對(duì)模型進(jìn)行了求解。計(jì)算出了常用不同建筑材料在不同濕周期作用下的理論濕滲透厚度。計(jì)算結(jié)果表明理論濕滲透厚度隨環(huán)境濕變化周期增大而增大，同時(shí)不同建筑材料的理論濕滲透厚度也差異很大。在計(jì)算墻體與室內(nèi)濕交換的模型中，等效濕滲透模型應(yīng)用較廣泛。但該模型基于材料不被穿透的假設(shè)獲得的，理論濕滲透厚度可用來(lái)檢查等效濕滲透模型的有效性。該理論厚度也可作為調(diào)濕材料厚度設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

理論濕滲透厚度；等效濕滲透厚度；調(diào)濕材料

0 引言

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常存在溫度和濕度梯度，其熱濕表現(xiàn)對(duì)空調(diào)負(fù)荷有不可忽視的影響[1,2]，許多學(xué)者進(jìn)行了很多研究。Moon等[3]將熱濕模型和純導(dǎo)熱模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)忽略濕傳遞會(huì)低估制冷與制熱能耗，同時(shí)墻體的吸濕性作用會(huì)顯著降低室內(nèi)相對(duì)濕度的波動(dòng)，維持室內(nèi)濕度的穩(wěn)定。墻體的這種濕緩存作用促使人們將調(diào)試材料應(yīng)用于空調(diào)房間。研究結(jié)果表明，使用了調(diào)濕材料的空調(diào)房間的供熱和制冷能耗可減少5%-30%[4,5]。

調(diào)濕材料能改善熱舒適性，節(jié)約能源，延長(zhǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的壽命，但墻體的濕傳遞受室內(nèi)外環(huán)境等多種因素影響，過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致其對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響難以定量化[6]。對(duì)于墻體外表面的濕過(guò)程，部分學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。Labat等人[7]對(duì)6種不同的木結(jié)構(gòu)墻體在實(shí)際氣候條件下的熱濕過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量與分析，結(jié)果表明對(duì)于由吸濕性較差的建筑材料組成的墻體，室外氣候通過(guò)墻體對(duì)室內(nèi)的濕度影響可以忽略不計(jì)。Steeman等[8]模擬對(duì)比分析研究指出，在計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)可以將墻體外表面視作不可滲透。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及空調(diào)設(shè)備等的作用，室內(nèi)環(huán)境相較室外更加穩(wěn)定，室內(nèi)相對(duì)濕度變化范圍較小。文獻(xiàn)[9]研究表明無(wú)論是空調(diào)房間還是非空調(diào)房間，絕大多數(shù)時(shí)間的室內(nèi)相對(duì)濕度基本在40%-70%之間，而人體一般在濕度小于60％時(shí)才感到舒適[10]。以全年范圍來(lái)看，室內(nèi)相對(duì)濕度呈季節(jié)性變化，短時(shí)間內(nèi)，可看作以日周期為變化。對(duì)于空調(diào)房間，日周期作用占主導(dǎo)地位。作為房間的調(diào)濕材料或者作為墻體內(nèi)表面能起到濕度調(diào)節(jié)功能的建筑材料，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮材料的厚度。本文建立了墻體材料的理論濕滲透模型，并研究分析在不同周期性條件下墻體材料濕滲透厚度，并進(jìn)一步給出了相關(guān)應(yīng)用分析。

1 理論濕滲透模型

建筑材料的濕傳遞研究中有用含水量作為驅(qū)動(dòng)勢(shì)的[11-13]，也有僅僅考慮水蒸氣的擴(kuò)散傳遞而忽略液態(tài)水的[14,15]。在材料的含水率低于其固有含水率，即不存在多孔體滲透時(shí)，多孔材料中的水分傳導(dǎo)以水蒸氣擴(kuò)散占絕對(duì)主導(dǎo)地位，可以忽略液態(tài)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)[11,16]。在墻體材料濕滲透模擬過(guò)程中，溫度對(duì)材料的濕物性參數(shù)影響較小，可以忽略[17]。當(dāng)相對(duì)濕度不超過(guò)90%時(shí)，水蒸氣流占主導(dǎo)地位。因此濕驅(qū)動(dòng)勢(shì)可以選擇水蒸氣分壓力，擴(kuò)散系數(shù)可以歸一化為一個(gè)綜合系數(shù)[18]。

根據(jù)以上分析，對(duì)室內(nèi)空氣與墻體內(nèi)表面的吸放濕過(guò)程作如下假設(shè)：室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，墻體視作等溫；室內(nèi)濕度變化范圍較?。?0%～80%），墻體含濕量在索態(tài)之下，蒸汽擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，忽略液態(tài)水傳導(dǎo)；墻體材料濕物性參數(shù)為定值，如濕擴(kuò)散系數(shù)，濕容，墻體表面質(zhì)交換系數(shù)等；水蒸氣分壓力作為濕的驅(qū)動(dòng)力；濕傳遞為一維傳濕?；谝陨霞僭O(shè)，墻體內(nèi)表面吸放濕的控制方程如式（1），空氣中水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)如式（2）。水蒸氣分壓不易直接測(cè)量，可用水蒸氣濃度表示水蒸氣分壓，如式（3）及式（4）。

（2）

（3）

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體濕傳遞方程的初始條件及邊界條件如式（5）及式（6）。

（6）

式中：=h/δ，c()=+c*sin()；為角頻率，s-1；h為墻體表面濕交換系數(shù)，kg/(Pa?s?m2)；c為水蒸氣濃度變化幅值，kg/m3；為水蒸氣初始濃度，kg/m3；c為墻體表面水蒸氣濃度，kg/m3。

根據(jù)初始條件及邊界條件對(duì)式（1）求解，可獲得墻體內(nèi)或墻體材料內(nèi)任意一點(diǎn)的濕分布，如式（7）所示。理論濕滲透厚度（Theoretical moist penetration depth，TMPD）可以定義為其值為某點(diǎn)的相對(duì)濕度變化幅值為材料表面相對(duì)濕度變化幅值1%時(shí)，此點(diǎn)離材料表面的距離[19]。式（7）簡(jiǎn)化為式（8），并進(jìn)一步求出理論濕滲透厚度為式（9）。

（8）

（9）

圖1 周期作用下半無(wú)限大墻體材料內(nèi)水蒸汽濃度分布圖

由式（9）可以看出，理論濕滲透厚度隨環(huán)境濕度變化周期增長(zhǎng)而增大，季節(jié)性濕變化的理論濕滲透厚度遠(yuǎn)大于日濕變化的理論濕滲透厚度。當(dāng)室內(nèi)濕度變化周期一定時(shí)，墻體材料理論濕滲透厚度只取決于材料的導(dǎo)濕系數(shù)。圖1為室內(nèi)濕度24h周期變化條件下半無(wú)限大墻體材料內(nèi)不同時(shí)刻水蒸汽濃度分布情況。由圖可知，墻體表面水蒸氣濃度振幅小于室內(nèi)水蒸氣濃度振幅，濕度波在墻體內(nèi)的衰減較快，濕交換主要發(fā)生在材料表面附近的薄層內(nèi)。

2 不同材料的理論滲透厚度

許多研究者對(duì)常用建筑材料的熱濕特性參數(shù)進(jìn)行了大量的測(cè)試[20-22]。本文選取幾種常用建筑材料[20,22]進(jìn)行分析。這些材料分別為加氣混凝土、多孔混凝土、普通混凝土、石膏板1、石膏板2、石膏板3、普通磚、石灰石英磚、高密板1、高密板2、普通木板、巴沙木、松木、EPS板、XPS板。其濕物性參數(shù)如表1所示。本文對(duì)這些材料在表面含濕量變化周期分別為1小時(shí)，24小時(shí)，1周，1月時(shí)的理論濕滲透厚度進(jìn)行計(jì)算，如表1。室內(nèi)濕度變化周期為1個(gè)月時(shí)墻體材料理論濕滲透厚度是室內(nèi)濕變化周期約為1天時(shí)的5.5倍，對(duì)于常用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料如普通磚，EPS板，其月理論濕滲透厚度分別達(dá)到22厘米和38厘米，在更長(zhǎng)周期如季節(jié)性濕變化條件下，墻體將會(huì)被濕穿透。

表1 墻體材料濕物性參數(shù)及理論濕滲透厚度

圖2 不同材料日周期理論濕滲透厚度

當(dāng)室內(nèi)濕度變化周期為24小時(shí)時(shí)，各材料濕滲透厚度如圖2所示。不同材料之間理論濕滲透厚度相差很大，同種類(lèi)別不同形式的材料間相差也較大，這是由不同材料濕物性參數(shù)不同造成。石膏的理論濕滲透厚度較大，這是由于石膏的濕擴(kuò)散系數(shù)較大，易于水蒸氣在材料中的擴(kuò)散，同時(shí)石膏的體積濕容較小，水蒸氣在擴(kuò)散過(guò)程中不易被吸收。與此相反，木頭的體積濕容較大，同時(shí)濕擴(kuò)散系數(shù)較小，導(dǎo)致木頭的理論濕滲透厚度較小。聚苯乙烯理論濕滲透厚度較大是由于其密度較小導(dǎo)致導(dǎo)濕系數(shù)較大，較易被濕滲透，作為保溫材料易產(chǎn)生結(jié)露與霉變[23]。

3 實(shí)際應(yīng)用分析

保溫材料越厚其保溫隔熱性能越好，同時(shí)成本也增加較多，不同氣候區(qū)不同材料有不同的最佳保溫厚度[24]。與保溫材料類(lèi)似，具有調(diào)節(jié)性能的建筑材料與調(diào)濕材料也應(yīng)有最佳調(diào)濕厚度。根據(jù)節(jié)分析，木材的理論濕滲透厚度較小，濕容大，有一定的調(diào)濕作用。石膏的理論滲透厚度較大，濕容適中，濕緩存量大，濕擴(kuò)散系數(shù)較大，吸放濕反應(yīng)迅速，適合作為調(diào)濕材料。

80年代末，Cunningham[25]和Kerestecioglu[26]提出了等效濕滲透模型（EMPD-model）。該模型假設(shè)多孔材料與周?chē)諝獾臐窠粨Q僅發(fā)生在表面的薄層且該薄層的濕分布是均勻的。該薄層的厚度即為等效濕滲透厚度，該定義是基于半無(wú)限大墻體材料周?chē)諝庀鄬?duì)濕度為日周期變化時(shí)進(jìn)行計(jì)算的，如式（10）。

墻體材料的理論濕滲透厚度是等效濕滲透厚度的4.61倍。在考慮到等效濕滲透厚度模型使用時(shí)，材料的實(shí)際厚度應(yīng)大于同周期下的理論滲透厚度，或者是等效濕滲透厚度的4.61倍。對(duì)于一個(gè)月一年的外界空氣濕變化，墻體材料的理論濕滲透厚度都較大，以普通磚和石膏板為例，普通磚季（90天）理論濕滲透厚度約為3.64米，一般的實(shí)際厚度為0.24米、0.37米和0.49米，石膏板的月濕滲透厚度為0.96米，一般的實(shí)際厚度為0.02米和0.03米，普通磚在季周期、石膏板在月周期作用下已被濕穿透。按照等效濕滲透模型的形式采用一個(gè)月或一季度的周期進(jìn)行計(jì)算長(zhǎng)期等效濕滲透厚度[27]，此時(shí)該模型并不適用。對(duì)于日周期也是這樣，當(dāng)日周期濕變化穿透了墻體材料時(shí)，等效濕滲透模型也不適用。

作為墻體調(diào)濕材料的厚度選型，應(yīng)用日周期為主，同時(shí)也應(yīng)兼顧較長(zhǎng)周期的情況，比如非空調(diào)房間的季節(jié)性室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文分析了建筑墻體材料所處的熱濕環(huán)境，建立了墻體材料理論濕滲透模型，求解了在周期濕作用條件下不同時(shí)刻墻體材料內(nèi)的濕分布，并給出了常用材料在不同周期下的理論濕滲透厚度。結(jié)果表明，不同墻體材料的理論濕滲透厚度相差較大，同一材料理論濕滲透厚度隨周?chē)諝鉂褡兓芷谠鲩L(zhǎng)而增大，月濕滲透厚度一般為日濕滲透厚度的5.5倍，在日周期下濕交換僅發(fā)生在材料表面薄層內(nèi)，但在更長(zhǎng)周期情況下墻體可能被濕穿透。墻體材料的理論濕滲透厚度是等效濕滲透厚度的4.61倍，如果墻體材料的實(shí)際厚度小于理論濕滲透厚度，即墻體被濕穿透，此時(shí)，以表面薄層濕均勻分布代替整個(gè)墻體材料濕分布的等效濕滲透模型便不再適用，等效濕滲透厚度需根據(jù)墻體材料實(shí)際厚度重新計(jì)算。墻體材料理論濕滲透厚度不僅可以用來(lái)檢測(cè)等效濕滲透模型的適用性，同時(shí)可以作為調(diào)濕材料經(jīng)濟(jì)性厚度的參考，因此在建筑設(shè)計(jì)與節(jié)能應(yīng)用中提供重要參考。

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Theoretical Moisture Penetration Depth Model of Building Wall Material and its Application Analysis

Wan Hang Xu Xinhua Yan Tian

( School of Environment Science & Engineering, Huazhong University of Science andTechnology, Wuhan, 430074 )

Thermal and moisture transfer exists in building wall due to the disturbances of indoor environment and ambient. This paper present the theoretical moisture penetration model (TMPD-model) of a single-layer building material and its solution. The theoretical moisture penetration depths are presented for various conventional building materials under different moisture periods. The results show that the theoretical moisture penetration depth increases with the moisture period, and the theoretical moisture penetration depths of various materials differ significantly. In calculation of moisture transfer between the material and the indoor air, the effective moisture penetration depth (EMPD) model is usually used. However, the EMPDmodel is based on the assumption that the moisture does not penetrate through the material layers. The theoretical moisture penetration depth can be used to check the effectiveness of the EMPDmodel. The theoretical moisture penetration depth can also be used for material design reference.

Theoretical moisture penetration depth; Effective moisture penetration depth; Humidity control material

1671-6612（2017）03-240-05

TU86

A

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178201）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（2015QN116）

萬(wàn) 航（1992-），男，博士研究生，E-mail：wanhang111@hotmail.com

徐新華（1972-），男，教授，E-mail：bexhxu@hust.edu.cn

2016-04-13