建筑多孔飾面磚蒸發降溫的風洞實驗研究＊

張 磊，馮燕珊，孟慶林，張 玉

（1.華南理工大學 建筑學院，亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

建筑節能是全社會節能減排工作中的重點領域.而直接且有效的建筑節能方法是設計建造低能耗建筑，將建筑設計與地域特征相結合，采用被動式建筑節能技術調節室內熱濕環境、節約建筑能耗［1－3］.

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

室外現場實測研究可以較為準確地描述在室外真實氣象條件下材料的蒸發降溫過程，但室外實測受自然條件的限制較大，實驗結果難以復現［8－11］.而在實驗室開展蒸發降溫實驗研究可以獲得連續穩定的蒸發降溫實驗數據，實驗結果可以復現，在研究建筑材料動態蒸發降溫過程方面具有一定的優越性［4，12－13］.但為了真實反映室外環境，需要對全氣象要素進行模擬和控制，從而在實驗室內營造與室外氣象條件接近的實驗環境，在這種環境下開展的蒸發降溫實驗研究才具有代表性.

本文采用熱濕氣候風洞復現廣州地區夏季典型氣象日環境，研究兩個相同試件在補水和不補水狀態下的熱量傳遞過程，采用表面熱流計法計算補水和不補水試件的平均熱阻，引入土壤學的Penman－Menteith蒸發量計算模型，結合實測數據對該模型中的參數進行修正，將總蒸發量分解為熱力蒸發量和動力蒸發量，分析三者的變化規律，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、蒸發換熱量和導熱換熱量的轉化關系.本文的研究有助于完善建筑材料蒸發降溫實驗方法，補充用于建筑蒸發降溫技術工程應用的基礎數據.

1 研究方法

1.1 熱濕氣候風洞

熱濕氣候風洞由華南理工大學建筑節能研究中心研發和建設.該風洞構造尺寸及其補水裝置示意圖如圖1所示，風洞內各環境控制設備和參數如表1所示.

圖1 熱濕氣候風洞Fig.1 The hot－wet climatic wind tunnel

表1 熱濕氣候風洞內環境參數控制設備和精度Tab.1 The environment control equipment and precision

1.2 研究對象

兩個實驗試件的構造完全相同，均由飾面層、防水層和基層組成.試件構造和尺寸如圖2所示.基層構造為水泥混凝土，四周和底面粉刷防水涂料，上部設置防水層，以減少基層吸水蒸發對實驗結果的影響，防水層構造為防水砂漿，其上部為飾面層，選取紅色陶土燒結多孔飾面磚作為飾面層.該飾面磚尺寸規格為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.實驗過程中，保持一個試件不補水，稱為干試件，另外一個試件通過風洞內的補水裝置連續補水，稱為濕試件，通過記錄試件重量變化來計算試件的蒸發量.

圖2 試件構造圖Fig.2 The structure of the measurement objects

1.3 實驗儀器及測點布置

實驗中所用到的實驗儀器及精度如表2所示.實驗儀器通過數據采集儀連接到電腦上，記錄間隔為1min.

表2 實驗儀器匯總表Tab.2 Measurement device and parameters

1.4 實驗環境

在風洞內復現廣州地區夏季典型氣候環境，采用廣州夏季典型氣象日的氣象參數作為實驗環境的設定值.為實現試件一維傳熱過程，空調小室的環境溫度設定為20℃，實測空調小室空氣溫度在20～22℃之間變化.

2 實驗結果分析

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，濕試件連續補水時，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，這是因為濕試件飾面磚吸水后，導熱系數有所增加，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部的熱流值有所增加.但濕試件內表面熱流仍然顯著低于干試件內表面熱流，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 熱工參數計算

本文采用熱流計法計算試件的平均熱阻［14－15］，如式（1）所示：

式中R為計算周期內試件的平均熱阻，m2·K／W；Δθi為i時刻試件內外表面溫差，℃；qi，n為i時刻試件內表面熱流，W／m2；k為計算周期內的數據量.根據材料熱工參數計算的干試件理論熱阻值見表3，根據式（1）計算的干試件平均熱阻見表4.可以看出，連續4d的實驗周期內，采用熱流計法計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，熱流計法計算結果較為準確，可以用于計算濕試件的平均熱阻值，計算結果如表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 實驗試件的平均熱阻值Tab.4 The average thermal resistance of the test samples

有研究表明，材料吸濕后，材料導熱系數將會有所增加，熱阻值將會減少［16－17］.但本文通過熱濕氣候風洞實驗，結合表面熱流計法，計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，蒸發過程僅在飾面層發生；另一方面，多孔飾面層吸水后產生蒸發降溫效果，在相同內外表面溫差的情況下，減少了試件內部的導熱量，相當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降溫效果的附加熱阻.本次研究中，連續4d的實驗周期內，含濕多孔飾面層的附加熱阻是0.285m2·K／W.

2.3 逐時蒸發量分析

1998年聯合國糧食及農業組織（簡稱FAO）推薦Penman－Monteith公式（簡稱P－M公式）計算農作物蒸散量，如式（2）所示［18－21］：

式中E為蒸發量，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空氣溫度，℃；u為全天平均風速或逐時風速，m／s；es為飽和水汽壓，采用式（3）計算，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，采用式（4）計算，kPa／℃；γ為干濕表常數，采用式（5）計算，kPa／℃；a1，a2，a3為常數，FAO推薦的常數如表5所示：

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

表5 FAO推薦的計算參數Tab.5 The calculation parameters recommended by FAO

由于P－M公式及表5中參數主要用于農作物的蒸散發量計算，直接用于多孔飾面磚蒸發量計算可能會有較大誤差，因此，本文采用多孔飾面磚蒸發量數據，重新擬合得到a1＝0.001，a2＝117.089，a3仍采用表5中逐時計算周期所用的參數.采用修正后的P－M公式，計算得到逐時蒸發量，并與實測蒸發量進行比較，如圖5所示.可以看出，修正后的P－M公式計算逐時蒸發量與測試結果較為接近，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蒸發量變化規律.

圖5 實測蒸發量與修正后的P－M公式計算蒸發量的比較Fig.5 The comparison between measured and calculated evaporation

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

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

圖7 熱力蒸發量和動力蒸發量所占總蒸發量的比例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）計算［22］，W／m2；qd，d，qd，w分別為干、濕試件外表面導熱量，本文采用表面熱流計記錄導熱量，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）計算［10－12］，W／m2；qe，w為濕試件外表面蒸發換熱量，采用式（16）計算，W／m2.

當表面溫度大于上方空氣溫度時：

當表面溫度小于上方空氣溫度時：

式中hc，ext，hc，for和hc，nat分 別 為 表 面 總 對 流 換 熱 系數、表面強制對流換熱系數和表面自然對流換熱系數，單位均為 W／（m2·K）；Rf為表面粗糙系數；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為發射率；RL為長波輻射量，W／m2；σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數，W／（m2·K4）；Ts，d，Tw，d分別為干、濕試件外表面熱力學溫度，K.

式中E為逐時蒸發量，kg／（m2·h）；L為蒸發潛熱，kJ／kg.

采用公式（6）～（17）計算得到干、濕試件外表面各項熱流變化曲線，如圖8，圖9所示.對于干試件，在白天時間段（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、環境和試件內部進行對流換熱、長波換熱和導熱換熱，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平衡狀態，熱量收支基本相等.對于濕試件，在白天時間段（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，蒸發換熱消耗了大約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化為表面的對流換熱、長波換熱和導熱換熱.

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

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

3 結 論

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

1）表面蒸發降溫對于降低試件外表面溫度和內表面熱流效果顯著.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）采用表面熱流計法，結合實驗數據，計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%，在蒸發過程中降低了流入試件內表面的熱流，因此濕試件計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）將估算農作物蒸散發量的Penman－Monteith公式引入到建筑多孔材料蒸發量計算過程，結合熱濕氣候風洞實測數據，對P－M公式的系數進行了修正，采用修正后的P－M公式計算了試件的逐時蒸發量，并與實測蒸發量進行了比較.比較結果表明，PM修正公式計算結果與實測結果較為接近，平均相對誤差小于10%.采用P－M修正公式，將總蒸發量分解為熱力蒸發量和動力蒸發量，在廣州地區夏季典型氣象日條件下，試件熱力蒸發量占總蒸發量的42.1%，動力蒸發量占總蒸發量的57.9%.

4）在白天時間段，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%的熱量轉化為對流換熱量、長波換熱量和導熱換熱量，而入射到濕試件外表面的短波輻射熱量中，蒸發過程消耗了約64.5%的熱量，剩余的10.8%，2.1%和22.6%短波輻射熱量分別轉化為表面的對流換熱、長波換熱和導熱換熱.可見，在夏季，蒸發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，減少進入房間的熱量，從而節省空調能耗.

致謝：感謝評審專家對本文提出的建設性意見和細致的修改建議.國家自然科學基金項目（No.51308223）、廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室、廣州市珠江科技新星項目（2011J2200098）和華南理工大學中央高校基本科研項目（2013ZM0041，2012ZZ0070）對本文工作提供了資助.

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