建筑圍護結構熱濕耦合傳遞特性實驗研究與分析

摘要:建立了多層墻體熱濕耦合傳遞的實驗測試方法，測試了長沙地區1月份和7月份空調房間外墻體內的溫濕度分布情況。分析了熱濕氣候地區墻體內濕傳遞和積累的情況，以及不同內表面情況對墻體熱濕性能的影響。實驗結果表明:靠近室外側水泥砂漿與紅磚界面處的溫度、濕度嚴重受室外溫、濕度變化的影響，且此界面處的濕度長期高于80%，易引發霉菌的生長;靠近室內側紅磚與水泥抹灰界面處的溫度、濕度主要受室內溫、濕度的影響，變化較小;在夏季時，內表面貼發泡塑料墻紙的墻體內各界面處的溫、濕度普遍比沒貼墻紙的墻體內相應位置處的要高;在冬季時，兩墻體內界面處的溫度基本相同，但沒貼墻紙的墻體內各界面處的濕度比內表面貼有發泡塑料墻紙的墻體中要略高。同時，墻體內的溫、濕度變化存在著很強的耦合作用，并且太陽輻射強度對墻體內的溫、濕度分布有很大的影響。

關鍵詞:建筑構件;熱濕耦合傳遞;實驗測試;圍護結構

中圖分類號:TU111文獻標識碼:A

Experiment and Analysis for Coupled Heat and Moisture Transfer Performance through Building Envelope

CHEN You-ming#8224; ， DENG Yong-qiang ， GUO Xing-guo ， ZHANG Le

(Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency， MOE，College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha，Hunan410082， China)

Abstract: A experiment method is developed to test hygrothermal transfer performance through multilayer wall. The temperature and relative humidity is measured in the external walls of an air-conditioned room in Changsha during January and July. The moisture accumulation and transfer within the walls exposed to hot and humid climates is analyzed， and different inside wall trearments impact on the hygrothermal performance of multilayer wall is also diccussed. The results indicate that: the temperature and humidity at the interface between the cement mortar and red brick were seriously affected by the changes of outdoor temperature and humidity， and the relative humidity of this interface higher than 80 percent for a long-term， this can easy to trigger the growth of mold; the temperature and humidity at the interface between the red brick and cement plastering have small changes， they were affected by the changes of indoor temperature and humidity; in summer， the temperature and humidity at the interface of the wall that the interior surface with the treatment of foam plastic wallpaper were generally higher than those of the wall which the inner surface have no treatment; and in winter， the temperature at the interface of tow walls is basically the same， but humidity at the interface of the wall that have no treatment is slightly higher than that of the wall which the interior surface with the treatment of foam plastic wallpaper. At the same time， the changes between temperature and humidity inside the wall coupled strongly， and solar radiation intensity have a great impact on the distribution of temperature and humidity inside the wall.

Key words: building components;coupled heat and moisture transfer; experiment and test; building envelope

在我國南方熱濕氣候地區，空調器的使用造成室內外存在著溫度差和濕度差，從而在墻體內形成相應的溫度梯度和濕度梯度。當墻體中的濕傳遞過程和周圍空氣濕度水平發生變化時，容易引起墻體內部和表面結露。濕分的遷移和積累為霉菌的生長提供了條件，在相對濕度為70%～93%時，霉菌將快速蔓延[1]。建筑物中過大的濕積累將加速霉菌的繁殖與蔓延。有資料顯示，當含濕量為7g/kg時，微生物的濃度為400μg/m3;當含濕量的值大于15g/kg時，其濃度則高達2080μg/m3[2]。在我國南方建筑墻體內部，濕積累現象比較普遍。模擬分析表明，南方墻體長期受高溫高濕的影響時，墻體內容易出現濕積累的現象[3]。

多孔介質的不均勻性及各傳遞過程的相互影響，構成了多孔介質傳遞現象的錯綜復雜性和隨機多變性，因而進行實驗和模擬是其重要的研究方法。國內外，許多學者對墻體的熱濕傳遞進行了一系列實驗研究，如Tenwolde[4]、Shakun[5]、Hosni[6]、蘇向輝[7]、冉茂宇[8]等。

在以往的大多實驗中，常采用室內外溫濕度為恒定值來進行，并且實際氣候的環境溫度和相對濕度的連續變化過程在實驗過程中無法加以精確的控制，因此多數實驗的結果只能用于特定的實驗條件下。為了反映我國南方熱濕氣候地區常見的建筑外墻體在實際情況下，墻體內溫度和濕度在墻體內遷移的過程，本實驗采取在實際氣候條件下進行，通過實測長沙地區夏季7月份和冬季1月份空調房間外墻體內的溫度和濕度的變化情況，來分析實際情況下，墻體內溫度和濕度的分布情況及影響因素。

1 外墻體熱濕傳遞的實驗

1.1實驗墻體及傳感器的安裝

實驗測試對象是一間旋轉式實驗房，尺寸為3m×3m×3m，方位為正南北向，四周為空曠地區。在實驗房間南外墻上建2面500×500mm的實驗墻體模塊，在每面墻體四周用300mm厚XPS擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板進行絕熱隔濕。墻體分3層構造:外墻為20mm水泥砂漿，磚墻為240mm厚紅磚墻，20mm水泥抹灰;其中墻體2內表面另外貼有發泡塑料墻紙。圖1為墻體結構及傳感器安裝位置示意圖。

實驗墻體外表面直接受室外氣溫、太陽輻射和風速風向等自然氣候因素的作用;其內表面受到在設定溫度±3℃的波動范圍變化的室溫作用。為保證測量的數據能準確反映一維傳熱傳質，溫度、相對濕度傳感器的測點位置盡量為實驗墻體的幾何中心。同時，為防止在砌筑內外墻體表面層時，可能損壞部分傳感器而導致傳感器無法準確測定數據，在墻體內埋裝傳感器的時候，同一地方每種傳感器均埋裝2個。太陽輻射儀放置在離墻體較遠的空曠處測量總輻射強度。

1.2數據采集

為保持墻體里面的初始溫度和相對濕度穩定，在記錄實驗數據之前3天，就開始對室內環境進行調節。每次實驗持續15天，用數據采集儀每30分鐘記錄一次數據。

圖1 墻體結構傳感器的安裝位置示意圖

Fig.1 Structure of test walls and sensor locations

2 結果與討論

本文在夏季和冬季對墻體進行了實驗測試。現取2008年6月底至7月初的實驗數據來繪制夏季溫、濕度分布曲線，其中6月30日至7月3日為晴天，其曲線圖如圖2～5所示;7月6日至7月9日為陰雨天，其曲線圖如圖6～8所示。期間， 6日為晴轉陰天， 7日下起了雷陣雨， 8日為多云陰天，間有陣雨，9日為多云陰天。選取2009年1月初的實驗數據來繪制冬季溫、濕度分布曲線，其中1月4日至1月7日為陰雨天，其曲線圖如圖9～11所示。期間，4日至5日為陰天，6日陰天有小雨，7日為陰天;1月8日至1月11日為晴天。其曲線圖如圖12～14所示。

圖2 夏季晴天的溫度分布

Fig.2 Temperature in sunny summer day

2.1夏季氣候

如圖2所示，水泥砂漿與紅磚界面處的溫度變化曲線與室外的溫度變化曲線幾乎重合，這主要是由于水泥砂漿的導熱系數較大，整個水泥砂漿層的溫度梯度很小所引起的。另外，1、2兩種墻體中的這個界面處的溫度均高于室外溫度，這種現象在白天是因為墻體外表面吸收太陽輻射而造成的。在夜晚是由于紅磚層同時向室外和室內散熱而引起的。而紅磚與水泥抹灰界面處的溫度變化曲線趨勢與室內溫度變化趨勢曲線基本吻合，波動幅度較小，主要受室內溫度的影響。但在白天時，由于墻體外表面向室內傳熱而產生小幅波動。由此可見，這種墻體內的溫度梯度集中在紅磚層，水泥砂漿層主要受室外溫度變化的影響而水泥抹灰層主要受室內溫度變化的影響。

圖3 夏季晴天的空氣含濕量分布

Fig.3 Absolute humidity in sunny summer day

圖4 夏季晴天靠近室內側界面處的相對濕度分布

Fig.4 Relative humidity of interface close to indoor in sunny summer day

圖3為夏季晴天絕對濕度分布圖。與圖2比較，我們會發現墻體內的空氣含濕量曲線與溫度曲線的曲線形態基本上相同。這說明當墻體內溫度發生變化時，墻體內的空氣含濕量也存在著同向的變化。同時，當水泥砂漿與紅磚界面處的溫度因墻體外表面吸收太陽輻射而升高時，會導致該界面處的飽和水蒸汽分壓力升高，相對濕度降低，墻體材料孔隙壁面上的液態水分蒸發到孔隙空氣層中，造成空氣含濕量隨溫度而上升。

由于磚墻的水蒸氣滲透阻很大， 使得水泥抹灰層內的含濕量幾乎不受室外濕度的影響而只與室內濕度變化有關，因而在紅磚與水泥抹灰界面處的空氣含濕量變化很小。而水泥砂漿層內的空氣含濕量變化則主要受室外環境濕度變化的影響，室外環境濕度變化趨勢曲線和水泥砂漿與紅磚界面處的空氣含濕量變化曲線幾乎吻合。

圖5 夏季晴天靠近室外側界面處的相對濕度分布

Fig.5 Relative humidity of interface close to outdoor in sunny summer day

圖4、5為各時刻室內、外和墻體內的相對濕度分布。從圖5可以看出，水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度相對于室外的相對濕度存在一定的延時，與溫度變化是一致的。

圖6 夏季雨天的溫度分布

Fig.6 Temperature in rainy summer day

從圖2～5可以發現，墻體2內各界面處的溫、濕度普遍比墻體1內相應位置處的要高。這主要是因為:墻體2內表面貼有水蒸氣滲透性小的發泡塑料墻紙，嚴重阻滯了濕分向室內空氣中的遷移，使得濕分積累在建筑墻體內部，又因為墻體2中的材料比墻體1中的含濕量要高，造成墻體2中材料的導熱系數比墻體1的要高，這導致墻體2的傳熱系數比墻體1的傳熱系數要大，進而墻體2內的溫度梯度要比墻體1的溫度梯度小，所以墻體2中各界面處的溫度要比墻體1內相應位置處的要高。

圖7 夏季雨天的空氣含濕量分布

Fig.7 Absolute humidity in rainy day of summer

圖8 夏季雨天的相對濕度分布

Fig.8 Relative humidity in rainy summer day

由圖6、7可看出，墻體內溫度的劇烈變化將引起絕對濕度的劇烈變化。當在6日白天有太陽輻射時，水泥砂漿與紅磚的界面處的溫度和空氣含濕量均高于室外溫、濕度。而在隨后的幾天陰雨天中，該處的溫、濕度普遍比室外的要低。與圖2、3相比較發現，墻體內的溫、濕度在下雨天均有所下降，這是因下雨天時室外氣溫和空氣中飽和含濕量均有所降低而引起的。

將圖4、5和圖8進行比較，發現水泥砂漿與紅磚的界面處的相對濕度大幅上升，同時，紅磚與水泥抹灰界面處的相對濕度也有所升高，這主要是由于雨天室外空氣相對濕度大，并且由于室外氣溫的變化，導致墻體內相對濕度急劇提高，甚至出現凝結現象。造成水泥砂漿與紅磚的界面處的濕度長時間接近飽和狀態。同時從圖4和圖7可以看出，不論陰雨天還是晴天，在水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度均有相當長的時間高于80%。

2.2冬季氣候

圖9為冬季陰雨天的溫度分布曲線。由圖9可看出，墻體1和2中水泥砂漿與紅磚界面處及紅磚與水泥抹灰界面處的溫度幾乎相同，這說明墻體1、2在冬季的保溫性能幾乎相同。這主要是因為墻體1和2的導熱熱阻相差不多，雖然同界面處墻體1的空氣含濕量要比墻體2要略高(見圖10)導致墻體1中材料的導熱熱阻比墻體2中要略高，但由于墻體2內表面的發泡塑料墻紙增加了墻體2的導熱熱阻，導致墻體1、2的最終導熱熱阻幾乎相等。同時，可以看出，墻體中的溫度梯度主要集中在水泥抹灰層中。

圖9 冬季雨天的溫度分布

Fig.9 Temperature in rainy winter day

圖10 冬季雨天的空氣含濕量分布

Fig.10 Absolute humidity in rainy winter day

由圖10可以看出，墻體1在水泥砂漿與紅磚界面處及紅磚與水泥抹灰界面處的空氣含濕量比墻體2要高。這是因為冬季采暖期，由于室內外水蒸汽分壓力差使水蒸汽通過圍護結構向室外擴散。墻體2內的空氣含濕量要比墻體1要低是因為墻體2內表面貼有水蒸氣滲透性小的發泡塑料墻紙，阻止了水蒸汽向室外的遷移。由圖9與10可發現，墻體內兩界面處的溫濕度變化趨勢基本相同。

圖11 為冬季雨天的相對濕度分布圖。從圖中可看出，墻體中水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度均高于80%，甚至長期處于飽和狀態。此處存在水分凝結現象。

圖11 冬季雨天的相對濕度分布

Fig.11 Relative humidity in rainy winter day

圖12 冬季晴天的溫度分布

Fig.12 Temperature in sunny winter day

圖12為冬季晴天墻體內界面處的溫度分布曲線。從圖中可以看出，在每天10:00至18:00間，水泥砂漿與紅磚界面處的溫度要遠遠高于室外環境溫度，這主要是因為這段時間墻體外表面吸收太陽輻射而造成的。同時，紅磚與水泥抹灰界面處的溫度隨著室外溫度變化而存在一定地波動，這是因為在白天時，墻體內同時存在墻體內表面向紅磚層與外表面向內表面的兩種傳熱疊加的情況，而在夜晚時，則只存在從內表面向外表面傳熱這一種情況，導致紅磚與水泥抹灰界面處的溫度隨著外表面溫度變化而存在著一定幅度地波動變化。并且，這種波動變化引起了該界面處相同形態的空氣含濕量變化(見圖13)。

圖13 冬季晴天的空氣含濕量分布

Fig.13 Absolute humidity in sunny winter day

圖14 冬季晴天的相對濕度分布

Fig.14 Relative humidity in sunny winter day

由于界面處的晝夜溫差較大，造成相對濕度的波動幅度也比較大。從圖14可以看出，界面處的相對濕度在白天和夜晚存在很大的波動。由于夜晚室外環境溫度很低(見圖12)，從而導致水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度也很低，因而，在夜晚時此界面處存在冷凝現象。

比較溫度分布圖9、12以及濕度分布圖10、11、13和14，可以發現，不論陰雨天還是晴天，在水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度均有可能達到飽和狀態，存在冷凝現象。因此，在熱濕氣候地區，建筑外墻體需經處理以防止在冬季采暖期間墻體內存在冷凝現象。

2.3溫度對濕度分布的影響

從夏季溫度分布圖2、6和濕度分布圖3、4、5、7和8可以看出，由于夏季室外溫度高于室內溫度，室外水蒸氣分壓力高于室內水蒸氣分壓力，造成熱量和水分同時由室外向室內遷移。在冬季溫度分布圖9、12和濕度分布圖10、11、13和14可以看出，由于冬季室內溫度高于室外溫度，室內水蒸氣分壓力高于室外水蒸氣分壓力，造成熱量和水分同時由室內向室外遷移。

從圖2、3、5、13、13和14可發現，當墻體內界面處的溫度升高時，空氣含濕量也會隨溫度而升高。這是因為，當溫度升高時，該界面處的飽和水蒸汽分壓力升高，相對濕度降低，導致墻體材料孔隙壁面上的液態水分蒸發到孔隙空氣層中，從而造成空氣含濕量隨溫度而上升的現象。同時，當墻體內界面處的溫度降低時，空氣含濕量也會隨溫度而降低。這是因為，當溫度降低時，該界面處的飽和水蒸汽分壓力降低，相對濕度升高，導致孔隙空氣層中的水蒸汽冷凝吸附到墻體材料孔隙壁面上，從而造成空氣含濕量隨溫度而降低的現象。

同時，從上述圖中可以看出，當墻體內界面處的溫度波動幅度大時，該位置的濕度波動也比較大;當溫度波動幅度較小時，濕度的波動也比較小。并且在各界面處濕度隨時間的變化趨勢與同位置處的溫度變化趨勢基本相同，波動形態基本吻合一致。這表明在墻體內溫度的變化對濕度的分布存在著很大的影響。

2.4太陽輻射對濕度分布的影響

從圖2、3、12和13可以看出，在晴天白天時，太陽輻射強度大，建筑墻體外表面水泥砂漿層因吸收的太陽輻射而造成墻體內溫度急劇升高，并且高于室外環境溫度。墻體內界面處因溫度升高，導致水蒸汽分壓力升高，相對濕度降低，墻體材料孔隙壁面上的液態水分從而蒸發至孔隙空氣層中，造成界面處的空氣含濕量隨溫度而升高。

對比夏季晴天和陰雨天溫、濕度分布圖2、3、6、和7以及冬季晴天和陰雨天溫、濕度分布圖9、10、12和13可以看出，在晴天時，墻體內界面處的濕度比陰雨天時的變化要劇烈。而且，在晴天白天時，當墻體外表面吸收太陽輻射后，墻體內界面處的溫度和濕度都急劇增高，并隨室外的溫濕度波動變化而進行類似的變化。這說明太陽輻射對墻體內的溫、濕度變化存在著很大的影響，并明顯影響著墻體內溫、濕度的分布規律。

3 結論

本文給出多層墻體熱濕耦合傳遞的實驗測試方法和技術。對長沙地區水泥砂漿(外)-紅磚-水泥抹灰(內)式復合外墻體在夏季和冬季時墻體內溫、濕度分布情況進行了實驗測試，并對實測數據進行了比較分析。實驗結果表明:1)水泥抹灰層的溫、濕度變化主要受室內環境溫、濕度的影響，室外環境的變化對其影響比較小;而水泥砂漿層主要受到室外環境溫、濕度的影響，其溫、濕度變化與室外空氣溫、濕度變化形態基本相同;2)在夏季時，內表面貼有發泡塑料墻紙的墻體2內各界面處的溫、濕度普遍比沒有貼墻紙的墻體1內相應界面處的要高;在冬季時，墻體1、2內界面處的溫度基本相同，并且墻體1內各界面處的濕度比墻體2中要略高;3)陰雨天氣候對墻體內的含濕量影響很大，會造成水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度長期接近飽和狀態;4)在夏季和冬季進行空氣調節時，不論陰雨天還是晴天，水泥砂漿與紅磚界面處的相對濕度均有可能達到飽和狀態，并有相當長的時間該位置的相對濕度高于80%;5)墻體內的溫、濕度變化存在著很強的耦合作用，并且溫度對濕度的影響尤為顯著;6)太陽輻射強度對墻體內的溫、濕度變化存在著很大的影響，且明顯影響著墻體內溫濕度的分布規律。

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