單 波,劉會(huì)華,張素麗,蘇小順
(建科環(huán)能科技有限公司,北京 100013)
“十四五”時(shí)期,降碳成為生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)方向,降碳協(xié)同增效對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的大幅改善非常關(guān)鍵。在建筑行業(yè)中,建筑節(jié)能是非常重要的低碳措施,而建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)也在不斷應(yīng)用新型建筑材料提高熱工性能減少傳熱。不同的地域,由于氣候條件的差異,濕遷移對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)有不同的影響[1],而為了在實(shí)驗(yàn)室便捷得到數(shù)據(jù),需要給所測(cè)試件模擬不同的氣候條件測(cè)量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透量,通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證對(duì)圍護(hù)材料傳熱的影響。
建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中多采用多孔介質(zhì)材料,較多的孔隙使?jié)窨諝?、液態(tài)水甚至固體冰存于其中,傳濕方式復(fù)雜多樣,包括僅由蒸汽分壓力引起的蒸汽滲透,由溫度差引起的水蒸汽遷移,在冷凝區(qū)還存在飽和水蒸汽及液態(tài)水的遷移問(wèn)題,計(jì)算十分復(fù)雜[2]。
在只考慮空氣滲透的穩(wěn)態(tài)條件下,通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水蒸汽滲透過(guò)程(見(jiàn)圖1)的計(jì)算公式如式(1)所示。
圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透
式中:ω為水蒸汽滲透強(qiáng)度,g/(m2·h);ei為室內(nèi)的水蒸汽分壓力,Pa;ee為室外的水蒸汽分壓力,Pa;H0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總水蒸汽滲透阻,(m2·h·Pa)/g,如式(2)所示。
式中:dn為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的一種材料層的厚度,m;μ為材料的蒸汽滲透系數(shù),g/(m·h·Pa)也可以通過(guò)各種數(shù)學(xué)模型和軟件計(jì)算。如《建筑熱濕耦合模型在不同氣候條件下的應(yīng)用評(píng)價(jià)》[3]中選取了 3 個(gè)較為典型的氣候,使對(duì)象模型(CTF傳遞函數(shù)模型、HAMT 熱濕耦合傳遞模型、EMPT 有效濕滲透深度模型)分別在這 3 種氣候條件(濕熱、溫和、干熱)下進(jìn)行模擬計(jì)算并比較各模型在不同氣候下的最佳適用性;還有通過(guò)建立墻體濕熱傳遞模型,利用 CHAMPS 熱濕傳遞計(jì)算軟件對(duì)新建墻從建成到濕穩(wěn)定過(guò)程這段時(shí)間內(nèi)墻體含濕量的衰減進(jìn)行了模擬計(jì)算[4]。也有采用理論動(dòng)態(tài)濕熱耦合計(jì)算分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)與濕相關(guān)的因素變化對(duì)熱的影響,動(dòng)態(tài)濕熱耦合依據(jù) EN15062[5]進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)假定熱流與濕流沿一維方向在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多層材料之間傳遞并進(jìn)行逐時(shí)濕熱耦合計(jì)算,可計(jì)算出通過(guò)單位面積墻體的熱流,在傳熱和蒸汽滲透過(guò)程中產(chǎn)生或消耗的潛熱[6]。材料的蒸汽滲透理論研究較多。
關(guān)于蒸汽滲透測(cè)試的設(shè)備,有可控式控溫墻體熱濕耦合試驗(yàn)臺(tái)[7]等,通過(guò)控制砌塊墻體兩側(cè)恒溫恒濕箱的溫濕度,使墻體處于溫濕度不同的工況下,測(cè)得墻體的平均傳熱系數(shù)以及溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng),分析墻體兩側(cè)溫度變化對(duì)濕度傳遞的影響。該設(shè)備測(cè)試研究的重點(diǎn)放到了濕熱傳遞對(duì)傳熱系數(shù)的影響。
可以看出,蒸汽滲透方面的研究理論多,實(shí)際測(cè)量少,實(shí)際測(cè)量需要得到重視。
為了得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同氣候條件下蒸汽滲透測(cè)量數(shù)據(jù),可以模擬不同的氣候條件,圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需的氣候條件可以參考 GB/T 29906-2013《模塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)材料》[8]、JG/T 158-2013《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》[9]和 JGJ 144-2019《外墻外保溫工程技術(shù)》[10]等標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備可參考筆者曾開(kāi)發(fā)過(guò)的外墻外保溫系統(tǒng)耐候性檢測(cè)設(shè)備[11],該設(shè)備可以做熱雨循環(huán)、熱冷循環(huán)、凍融循環(huán)等試驗(yàn)。蒸汽滲透的測(cè)量可以參考 GB/T 17146-2015《建筑材料及其制品水蒸氣透過(guò)性能試驗(yàn)方法》[12],采用其工作原理將試件密封在不同濕度的兩個(gè)環(huán)境箱中間,組成測(cè)試組件。由于試件兩側(cè)的濕度不同,濕流會(huì)流經(jīng)試件,定期稱量干燥一側(cè)干燥劑的質(zhì)量,當(dāng)其質(zhì)量變化率穩(wěn)定后,就可通過(guò)采集的數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單計(jì)算得圍護(hù)材料試件蒸汽滲透的各種數(shù)據(jù)。
綜上所述,國(guó)內(nèi)考慮蒸汽滲透的建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)幾乎沒(méi)有,蒸汽滲透研究多采用模型計(jì)算,所以開(kāi)發(fā)考慮蒸汽滲透的圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備是非常有必要。本文參考 GB/T 35169-2017 的測(cè)試原理和耐候性檢測(cè)的一系列標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)了可以檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的蒸汽滲透量,并同時(shí)可以進(jìn)行耐候性檢測(cè)的設(shè)備。本文基于考慮蒸汽滲透的建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備研究,通過(guò)模擬室外環(huán)境做耐候性試驗(yàn),同時(shí)也可以模擬室內(nèi)外濕度梯度,監(jiān)測(cè)濕氣在圍護(hù)系統(tǒng)中的傳輸過(guò)程,傳輸質(zhì)量,研究分析濕氣傳輸機(jī)理和傳輸特征,為進(jìn)一步提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同氣候條件下的蒸汽滲透奠定研究基礎(chǔ)。
建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備[13]采用 PLC 自動(dòng)控制,分別由室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)箱、室外環(huán)境試驗(yàn)箱和試件框組成。室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)箱為常溫,溫濕度可控;室外環(huán)境試驗(yàn)箱則模擬了惡劣的自然環(huán)境。試件安裝在試件框內(nèi),兩側(cè)為室內(nèi)室外環(huán)境試驗(yàn)箱,可以對(duì)各建筑外表面的系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)性老化試驗(yàn)和試件含濕量變化的測(cè)量。同時(shí)室內(nèi)、室外環(huán)境箱可以控制不同的溫度和濕度,并有專門(mén)的濕氣收集裝置。該設(shè)備利用模擬測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境因素耦合設(shè)計(jì),在復(fù)雜環(huán)境因素耦合作用下進(jìn)行圍護(hù)材料耐候性模擬測(cè)試試驗(yàn),研究圍護(hù)材料耐候性及蒸汽滲透的變化,用于細(xì)節(jié)的研究和實(shí)踐論證。
傳統(tǒng)的耐候性檢測(cè)主要有熱雨試驗(yàn)、熱冷試驗(yàn)、凍融試驗(yàn),而參考蒸汽滲透的耐候性試驗(yàn)增加了濕度在建筑圍護(hù)材料內(nèi)的濕度變化的檢測(cè),可測(cè)得不同圍護(hù)材料蒸汽滲透量的質(zhì)量大小,從而給理論研究據(jù)提供基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的耐候性試驗(yàn)所測(cè)試件為混凝土基墻上裝有的外保溫系統(tǒng),基墻面積>6m2。主要做三種試驗(yàn)(在各種室外環(huán)境情況下),熱雨試驗(yàn)、熱冷試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)。
圖2 三種耐候試驗(yàn)的曲線圖
熱雨循環(huán) 80 次:每個(gè)周期為 6 h,分為加熱階段 1 h,恒熱階段 2 h,淋雨階段 1 h(噴水量 1.0 L/(min·m2),常溫階段 2 h。熱雨循環(huán)后,靜置 2 d。
熱冷循環(huán) 20 次:每個(gè)周期 24 h,分為加熱階段 1 h,恒溫階段 7 h,降溫階段 2 h,恒低溫階段 14 h。熱冷循環(huán)后,靜置 2 d。
凍融循環(huán) 25 次:每個(gè)周期 8 h。分為淋雨階段 1 h,常溫保持 1 h,降溫階段 1 h,恒低溫階段 4 h,生溫 0.5 h,常溫靜置 0.5 h 且相對(duì)濕度不低于 80 %。
蒸汽滲透試驗(yàn)需要對(duì)定型的小試件材料單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)。
考慮蒸汽滲透的耐候性試驗(yàn)檢測(cè),與傳統(tǒng)耐候試驗(yàn)檢測(cè)相比較有以下幾點(diǎn)變化。
①室外環(huán)境箱模擬室外環(huán)境提供了更加豐富的氣候條件,在保持熱雨、熱冷、凍融原有三種試驗(yàn)的情況下,通過(guò)分別增減各階段溫度、濕度、淋雨量的大小,同時(shí)增減各試驗(yàn)階段的試驗(yàn)時(shí)間,可以使耐候性的試驗(yàn)條件更加多樣化;②室內(nèi)環(huán)境箱提供穩(wěn)定的溫濕度條件,使不同材料的蒸汽滲透對(duì)比更有可比性;③檢測(cè)的外保溫系統(tǒng)試件換成 1 m2的圍護(hù)材料試件(見(jiàn)圖3),固定在室內(nèi)環(huán)境箱和室外環(huán)境箱中間。圍護(hù)材料內(nèi)部添加預(yù)埋傳感器,可以時(shí)時(shí)監(jiān)控建筑圍護(hù)材料內(nèi)部濕度的變化;整體試件也方便采用熱流計(jì)法測(cè)試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),分析蒸汽滲透對(duì)熱傳遞的影響;④增加了蒸汽滲透量的測(cè)量和露點(diǎn)的測(cè)量,蒸汽滲透的測(cè)試可以在各種模擬的氣候條件下完成,也可以得到試件在耐候試驗(yàn)前后的蒸汽滲透量的變化,并且各種測(cè)試都可以在同一組試件上進(jìn)行檢測(cè),不用分開(kāi)測(cè)試。
圖3 試件車(chē)及圍護(hù)材料試件
1.2.1 建筑圍護(hù)試件的安裝
建筑圍護(hù)材料砌在試件車(chē)的試件框內(nèi)(見(jiàn)圖3),試件框中間為 1 m×1 m 的方框,進(jìn)深 0.4 m,試件車(chē)其中一側(cè)有一個(gè)方形觀測(cè)孔,可引入 6 只溫濕度傳感器分別砌在試件內(nèi)不同位置,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以把定制的溫濕度傳感器一只一只砌入試件中,注意每砌入一只,要干燥放置一段時(shí)間,直到濕度變小。這些傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控圍護(hù)材料內(nèi)不同位置的溫度和濕度變化。不僅在試驗(yàn)階段,在養(yǎng)護(hù)階段也可以觀察圍護(hù)材料內(nèi)溫濕度的變化。
1.2.2 蒸汽滲透量的計(jì)量
試件密封在室內(nèi)環(huán)境箱和室外環(huán)境箱中間,除了做耐候性試驗(yàn),也可以做蒸汽滲透的試驗(yàn)。做蒸汽滲透試驗(yàn)時(shí),方形不銹鋼水分收集箱(見(jiàn)圖4)可以內(nèi)嵌在室外環(huán)境箱內(nèi),箱體內(nèi)水平放一個(gè)高精度電子秤,精度為 0.01 g,內(nèi)放置一個(gè)通風(fēng)小盒,里面放置穩(wěn)定的吸水材料(如 3a 分子篩)可收集水分,把試件箱室外側(cè)扣在不銹鋼箱上,密封并與室外環(huán)境箱卡緊。把室內(nèi)環(huán)境箱設(shè)定為高濕環(huán)境,室外環(huán)境箱設(shè)為低濕環(huán)境,工作開(kāi)始后時(shí)時(shí)采集電子秤數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)更新,可以通過(guò)采集的各個(gè)參數(shù),當(dāng)電子秤在單位時(shí)間內(nèi)重量的變化趨于穩(wěn)定,可以計(jì)算出蒸汽滲透量的變化情況。水分收集箱也可以內(nèi)嵌在室內(nèi)環(huán)境箱內(nèi),測(cè)試方法類似。
圖4 濕度水分收集系統(tǒng)
1.2.3 蒸汽滲透的計(jì)算方法
試驗(yàn)設(shè)備的水分采集箱內(nèi)部長(zhǎng)×寬×厚為 1 m× 1 m×0.4 m,面積為 1 m2,內(nèi)部體積為 0.4 m3。圍護(hù)材料的厚度,大氣壓力值也需要做好記錄(見(jiàn)圖5)。實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)和室外環(huán)境箱、水分采集箱以及試件內(nèi)的 6 組傳感器的溫度值、濕度值時(shí)時(shí)記錄,如水分采集箱內(nèi)溫度恒定在 23 ℃±0.5 ℃,在室外和室內(nèi)環(huán)境箱常壓恒溫情況下,工作幾天后,通過(guò)電子秤稱量的變化與計(jì)算可以得到蒸汽滲透的變化,如式(3)所示。
式中:ωφ為單位時(shí)間內(nèi)蒸汽滲透水分的重量,g/(m2·h);mo為蒸汽滲透試驗(yàn)結(jié)束后干燥劑的重量,g;mi為蒸汽滲透試驗(yàn)開(kāi)始前干時(shí)燥劑的重量,g;md為所選第 1 時(shí)間點(diǎn)水分采集箱內(nèi)的絕對(duì)濕度重量減去所選第 2 時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)濕度重量的差值(由于采集箱體積固定,濕度溫度時(shí)時(shí)測(cè)量,可以通過(guò)相對(duì)濕度的計(jì)算公式反推得到不同時(shí)間點(diǎn)的絕度濕度質(zhì)量),g;Δt為所選時(shí)間段的差值,h;A 為試件面積,m2。
從上面的公式中可以得到不同時(shí)間段的蒸汽滲透質(zhì)量,當(dāng)連續(xù)幾個(gè)時(shí)間段的計(jì)算重量都比較接近即滲透率穩(wěn)定,試驗(yàn)可以結(jié)束。所測(cè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)在不同耐候條件下或耐候試驗(yàn)前后各種圍護(hù)材料的蒸汽滲透情況。實(shí)際測(cè)量的值與理論計(jì)算的值相互驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)比,可以不斷的改進(jìn)和修正測(cè)試方法,同時(shí)完善理論計(jì)算結(jié)果。
本設(shè)備中露點(diǎn)溫度的測(cè)量對(duì)了解圍護(hù)材料滲透情況起到輔助作用,從中可以間接了解空氣中濕度的變化情況。試驗(yàn)中如室外環(huán)境箱的溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)環(huán)境箱的溫度,圍護(hù)材料試件的內(nèi)表面的溫度一般就會(huì)低于室內(nèi)環(huán)境箱的空氣溫度,當(dāng)內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)環(huán)境箱中空氣露點(diǎn)溫度時(shí),空氣中的水蒸氣就會(huì)在內(nèi)表面凝結(jié)。因此,檢驗(yàn)圍護(hù)材料的內(nèi)表面是否結(jié)露主要依據(jù)其溫度是否低于露點(diǎn)溫度,可以知道傳濕過(guò)程是否在結(jié)露狀態(tài)下進(jìn)行,對(duì)蒸汽滲透研究有一定的幫助。
建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備由室外環(huán)境箱模擬系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境箱模擬系統(tǒng)、試件框架系統(tǒng)、傳濕重量采集系統(tǒng)(安裝在試件框內(nèi)部)組成。
每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各工作單元協(xié)調(diào)合作,各系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)要求含有控濕、控溫、淋雨、稱重等功能,數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)采集并做好記錄處理。
室外環(huán)境箱模擬系統(tǒng)模擬周期變化的惡劣自然環(huán)境,由制冷機(jī)組、加熱箱體、恒溫水箱及噴淋、轉(zhuǎn)輪除濕和霧化器組成,溫度在 -25~75 ℃ 區(qū)間控制,濕度 0 % 到 90 % 可調(diào),水流量 1.0~1.5 L/m2·min,可測(cè)溫度、流量、濕度、露點(diǎn)溫度。
室內(nèi)模環(huán)境箱模擬系統(tǒng)模擬室內(nèi)環(huán)境,由除濕、加濕,全直流變頻空調(diào)組成(精度在 0.1 ℃),溫度在20~30 ℃可調(diào),濕度 30 %~100 % 可控。可測(cè)露點(diǎn)溫度、溫度、濕度(見(jiàn)圖6)。
圖6 設(shè)備實(shí)際外形圖
試件車(chē)上配有試件框用來(lái)裝卡試件用,載重 2 噸,采用輪式支撐移動(dòng),底部四底角邊裝配有四個(gè)承重輪,中間特別增加了一個(gè)輪子,使試件在較大載重的情況下,移動(dòng)靈活,便于操作。試件車(chē)室內(nèi)側(cè)面與室內(nèi)環(huán)境箱對(duì)接,室外側(cè)與室外環(huán)境箱連接,通過(guò)膠條和裝夾裝置卡緊密封。
同時(shí)設(shè)備有六組特制溫濕度傳感器,可以填埋在試件基墻的各個(gè)層面,觀測(cè)試件在各種條件下濕度的變化情況,并可以在室外環(huán)境箱嵌入水分采集箱,采集箱內(nèi)配有高精度水分測(cè)量?jī)x,在一定的溫濕度下稱量高濕往低濕的傳濕重量。
軟件部分采用 PLC 和觸摸屏,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)的采集,處理以及控制運(yùn)行等功能。軟件包括不同的控制界面如主控界面、參數(shù)設(shè)置、時(shí)時(shí)曲線和時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。時(shí)時(shí)采集及記錄各種參數(shù)并有自校功能、斷電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、斷電工作狀態(tài)記錄功能,多項(xiàng)報(bào)警及保護(hù)功能。與電子秤的通訊采用 RS-485。
2.2.1 節(jié)能性
1)室外室內(nèi)環(huán)境箱箱體采用了雙面彩鋼板聚氨酯保溫材料拼接而成,容重 40 kg,保溫材料能較好的保證能量不過(guò)多外溢,同時(shí)所選材料為 B1 級(jí)防火材料,保證設(shè)備的安全性。
2)箱體庫(kù)板通過(guò)掛接方式組成,掛接前都要按 S
形打足耐候膠,拼接好后所有縫隙勾縫再打好耐候膠密封,箱體內(nèi)外連接件采用隔熱材料連接,箱體與外部接觸面采用 5 mm 塑料板隔離,減少冷橋的產(chǎn)生。
3)冷箱冷源采用單機(jī)組雙路控冷方式提供。機(jī)組高壓端配不同的膨脹閥使一個(gè)機(jī)組在通過(guò)不同的膨脹閥時(shí)產(chǎn)生不同的冷量,即控制低溫時(shí)用控制低溫 A 膨脹閥(見(jiàn)圖7),控制中溫時(shí)自動(dòng)切換為控制中溫 B 膨脹閥。然后采用 PID 控溫方式控制熱源,是冷熱迅速達(dá)到平衡。
圖7 單一機(jī)組雙路膨脹閥
4)控濕和淋雨采用恒溫循環(huán)系統(tǒng),保證水的循環(huán)利用。
2.2.2 耐用性
1)保溫箱體外側(cè)裝有完善的鋼結(jié)構(gòu),通過(guò)方便快捷的卡式鎖緊裝置,并配有定制的密封條,使室內(nèi)和室外環(huán)境箱與試件架能有較嚴(yán)密的結(jié)合;
2)箱體內(nèi)部配件主要為鋁,銅,不銹鋼等材料,使設(shè)備能在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)久運(yùn)行;
3)試件車(chē)采用 15 mm 的 PU 板做內(nèi)襯,外部采用鋼結(jié)構(gòu)框架,內(nèi)填充保溫材料,保證設(shè)備的長(zhǎng)久耐用。
2.2.3 智能性
控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá) PLC 及觸摸屏控制,一鍵式操作,設(shè)置好控制參數(shù),循環(huán)次數(shù),點(diǎn)擊開(kāi)始,設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行,完成試驗(yàn)后設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。另外,軟件里提供不同的參數(shù)設(shè)定,可以根據(jù)需求,進(jìn)行多元化操作。
通過(guò)對(duì)蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)所取得的結(jié)論如下。
1)論文提出的考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性測(cè)試方法對(duì)圍護(hù)材料的耐久性有影響,國(guó)內(nèi)研發(fā)此方面較少,需要加大研發(fā)力度。
2)論文提出了一種對(duì)建筑圍護(hù)材料考慮蒸汽滲透的檢測(cè)方法。
3)研發(fā)了一種考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性檢測(cè)設(shè)備。
論文提出的考慮蒸汽滲透建筑圍護(hù)材料耐候性測(cè)試方法和研發(fā)的設(shè)備對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耐候性測(cè)試和研究有重要意義。Q