多孔調濕材料濕緩沖特性的實驗研究

摘要：利用NORDTEST實驗方法對中國長江中下游地區（以南京為例）多孔調濕材料的濕緩沖值（Moisture Buffer Value）進行測定，同時，研究濕緩沖值對建筑能耗及室內濕度的影響。實驗結果顯示，高濕度區間內材料的濕緩沖測定值較大，且不同材料的濕緩沖值存在較大差異。分析表明在長江中下游地區，使用具有吸放濕特性的建筑內表面材料可有效降低建筑能耗10%以上，同時，室內環境濕度也會得到一定程度的調節。

關鍵詞：多孔調濕材料；濕緩沖值；濕緩沖值測定實驗；建筑能耗

中圖分類號：TU111.19 文獻標志碼：A 文章編號：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

多孔調濕材料在環境濕度做周期性變化的過程中具有對水蒸氣“高吸低放”的能力，這種能力稱為材料的濕緩沖能力[1]。建筑室內各種多孔材料（墻體內墻材料，家具和紡織品等）的濕緩沖作用是影響室內濕環境的重要因素。在目前多數建筑能耗計算中往往忽略這一因素對能耗的影響。然而，民用建筑室內多孔材料種類較多，表面積很大，對調節室內濕環境，緩沖或抑制相對濕度波動，降低潛熱負荷和改善室內舒適性具有顯著的影響。忽略室內材料的濕緩沖效應，將大大降低能耗計算的準確性。此外，我國長江中下游濕熱地區在梅雨季節使用傳統的空調除濕方式需要消耗大量的能源，而當今能源短缺形勢嚴峻，這要求必須將提高室內環境舒適性的手段與建筑節能相結合。因此，充分利用多孔調濕材料的濕緩沖和濕調節能力對提高室內環境質量，降低建筑能耗和提高圍護結構耐久性有重要的實際意義。

針對調濕材料的吸放濕特性，已有學者進行了研究。鄭佳宜等[2]采用有效濕滲透厚度模型模擬了周期性濕負荷作用下硅藻土基建筑材料對室內空氣溫濕度變化的影響；韓星等[3]研究了調濕材料的作用原理并以已有研究數據為基礎對不同種類調濕材料的吸濕性能曲線進行了對比分析；冉茂宇等[4]利用封閉箱熱作用法對調濕材料在周期性熱濕作用下的吸放濕特性進行了測試和分析；黃子碩等[5]通過實驗得出不同建筑材料在恒溫恒濕環境下吸放濕速度變化的規律。濕緩沖理論的提出著眼于多孔材料吸放濕現象對周圍環境的影響，是傳統的多孔建筑材料內熱濕耦合傳遞[6]研究的延伸和發展。Rode[7]通過一系列研究全面確立了濕緩沖理論模型和數值計算方法，這些研究使濕緩沖以數值的形式呈現，加強了其客觀性和實用性。

濕緩沖值的提出對研究多孔材料濕緩沖現象有著重要的理論價值。然而，其數學表達形式以及實驗測定方法仍尚未完善，需要開展進一步的研究。Oasmaa等[8]利用“Round Robin Test”實驗方法對建筑材料的濕緩沖值進行測定，規定了很多實驗設置和測定方法的細節；Zhang等[9]提出“Chamber Test”概念，即利用高精度人工氣候室測定不同材料的濕緩沖性能參數，并與計算機模擬結果進行對比驗證。但這些濕緩沖值的測定方法沒有考慮不同氣候條件下的真實溫濕度變化情況對材料濕緩沖值測定的影響。筆者以幾種常見多孔調濕材料作為研究對象，基于調研數據對不同材料的濕緩沖值進行測定，并探討其在建筑能耗計算和室內環境評價中的實際應用。

1 濕緩沖值的測定（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濕度中時，單位時間、單位面積、單位相對濕度變化量內吸收或放出的濕量，其單位是kg/（m2 %RH）。與傳統的濕特性參數相比，濕緩沖值最大的不同在于：其主要描述材料在相對濕度變化過程中的動態吸放濕能力，并在動態過程中測得。目前對于濕緩沖值的表征方法主要有兩類：

1）濕擴散系數。當量化多孔材料的吸濕系數時，濕擴散率起關鍵的作用，因為它在確定典型動態吸放濕條件下材料的儲濕能力方面非常重要。材料表面相對濕度變化周期內的穿透深度是表征上述儲濕能力的一個重要參數。

2）有效含水量。即材料在給定的空氣相對濕度和時間內吸放濕的總量。1.2 實驗設置

本研究使用Carsten Rode等人提出的濕緩沖值測定方法，即NORDTEST法來對長江中下游地區常用多孔調濕材料進行實驗，測定其濕緩沖值相關參數。

實驗選用3種建筑材料作為實驗試件。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合型建筑材料，而硅藻泥、稻草板為新型建筑材料，各試驗材料基本性能如表1所示。

試件的尺寸均為60 mm×60 mm×9 mm。實驗采用濕杯法（Cup Method）[10]，以裝有飽和鹽溶液的密封瓶為基本設置，通過兩種飽和鹽溶液來維持密封瓶內的相對濕度（相對濕度33%的氯化鎂飽和溶液和相對濕度75%的氯化鈉飽和溶液）。實驗裝置的基本構成如圖1：

1.3 實驗流程及方法

本實驗干燥器外部恒溫恒濕環境條件由南京大學可持續建筑研究中心的高精度人工氣候室控制，人工氣候室的室內溫度設定為恒定的23 ℃±0.2 ℃，而相對濕度設定為恒定的60% ±1.5%（此為NORDTEST法的設定）。試樣需要在溫度23 ℃±0.5 ℃，相對濕度50±5%的條件下進行預處理，直到連續3 d內試樣的重量變化不超過其總重量的5%，視為預處理完成，實驗開始。

該實驗的一個周期為24 h，分為兩個階段：

1）吸濕階段：將已經達到平衡含濕量的調濕材料試樣置于相對濕度75%的瓶內，每隔1 h用高精度電子天平對材料試樣進行稱重直至8 h后。

2）放濕階段：快速將材料由相對濕度為75%的密封瓶取出，置于相對濕度為33%的密封瓶內，每隔2 h對材料試樣進行稱重直至16 h后。通過這一個實驗周期，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據。

8 h的吸濕階段與16 h的放濕階段組成一個完整的材料吸放濕周期。以24 h為一個周期，該實驗可重復多個周期，實驗數據相對地趨于穩定。最后，根據測定的實驗數據可以得到多個連續周期內材料的含濕量隨時間變化的關系曲線。

1.4 實驗結果及分析

基于實驗數據，可以得到3種調濕材料在一段時間內的含濕量隨時間變化的關系曲線，其變化趨勢是由NORDTEST的實驗方法來標定的，反映的是材料在兩個恒定的相對濕度區間內吸放濕的整個過程。

從圖2中可以看出，在3個穩定周期內材料的含濕量隨著時間變化的關系：

稻草板和硅藻泥在3個周期內的含濕量變化趨勢穩定，呈周期性循環，且每個循環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呈階梯狀遞減趨勢，吸濕量明顯高于放濕量。

濕緩沖值在實驗中的計算方法可以簡化為單位時間單位面積內材料含濕量的變化。根據實驗數據，各調濕材料在吸濕和放濕過程中的濕緩沖值都可以計算得到，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，對濕度變化反應較為敏捷，但吸濕、放濕量小，因此調濕作用有限。

2）總體來看，3種材料在放濕階段的濕緩沖值均高于吸濕階段。

2 針對熱濕氣候的濕緩沖值測定

利用NORDTEST法測定材料濕緩沖值選擇的濕度區間為33%～75%，但這個區間的設定依據是北歐地區的氣候條件，與熱濕地區的真實濕度變化區間并不相同。探討針對中國熱濕氣候地區材料的濕緩沖值的測定，需要對該氣候類型下住宅溫濕度情況進行調研作為研究依據。

2.1 實地調研

對南京地區的6處住宅（戶型無重復）進行了梅雨季節[10]為期兩個月的實地調研，利用高精度溫濕度儀器RC-4HA Data Logger（設定間隔時間為10 min）記錄得到大量的溫濕度數據信息；此外，還對每個住宅的住戶進行詳細的問卷調查。

根據調研住宅的實測溫濕度數據，繪出一段時間內室內相對濕度的變化曲線。

圖3較為清晰地呈現了熱濕氣候下（圖中截取了7月8日到7月12日5 d內的數據作為典型代表）住宅室內相對濕度的變化情況。由圖表和數據可知：南京地區在梅雨季節室內相對濕度波動較為明顯，相對濕度變化區間為60%至85%，平均相對濕度為75%，屬于典型的高溫高濕氣候。

2.2 實驗設置

本研究選擇4種調濕材料：纖維水泥板、石膏板、硅藻泥和稻草板進行測定?；谡{研數據，為了更深入地探索適應熱濕氣候地區的測定方法，在高精度人工氣候室的環境條件設定均不變的情況下，對NORDTEST法中的濕度區間設定進行了調整：將相對濕度區間臨界值從原來的33%～75%提高到60%（溴化鈉飽和溶液[11]）～85%（氯化鉀飽和溶液[11]）。這個區間與調研中實際的濕度變化范圍一致，使標定的相對濕度區間更接近熱濕氣候地區的真實狀況，實驗條件的模擬更為準確。

2.3 實驗結果及分析

首先，得到材料含濕量隨時間和相對濕度變化的關系曲線如圖4。

根據該實驗得到的新區間下3個周期內調濕材料的含濕量，可以計算得到區間調整后測定得到的調濕材料MBV值，記為MBV1。

NORDTEST法和調整后的測定試驗均使用纖維水泥、硅藻泥和稻草板3種材料作為對象，因此，將這3種經由不同測定試驗得出的材料濕緩沖值做對比分析。

由兩種測試方法得出的材料濕緩沖值數據，提出問題和結論：

1）從硅藻泥和纖維水泥的濕緩沖值看，調整濕度區間后測定值較高；但稻草板的濕緩沖值較調整前更低。因試樣在實驗過程中未發生膨脹或破損情況，稻草板在數值方面的反常，考慮可能因為稻草板的濕緩沖能力與其本身的內部結構（碎秸稈排列方式的差異、各部分孔隙率的不同、試樣內部非勻質）有關[12]。這表明在濕緩沖值測定實驗中，材料試樣的制備水平尚需提高。因此，在作數據分析和對比時，不考慮稻草板的實驗結果。

2）從硅藻泥和纖維水泥的結果來看，相同材料試件在濕度區間調整前后兩次測定的濕緩沖值的差異明顯；高濕度區間內測定的材料濕緩沖值較高。由此說明濕緩沖值的測定方法中關于濕度區間的設定對試驗結果有直接影響，而研究對于濕度區間調整的探索是有意義的。

3 濕緩沖性能對建筑能耗以及室內環境的影響

3.1 濕緩沖值對于室內濕度的影響

濕緩沖值主要用于評價材料從一個相鄰空間吸收和釋放水分的能力。它在實際應用中可以用來估算房間內的濕平衡狀態[13]，以下是一個計算示例：給定一個真實條件下的房間，該房間的尺寸為4 m×5 m×3 m，房間的體積大約為V=60 m3。設定房間內人的居住和活動每個小時所釋放的濕量為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，且空氣的儲濕忽略不計，那么下面就可以根據這些數據和實驗所得到的MBV值來估算室內的相對濕度在一個工作日內（8 h）變化量[14]。

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

計算表明，在不考慮室內外濕交換的情況下，假定房間內濕源所釋放的濕全部被由調濕材料覆蓋的墻體所吸收，那么在8 h工作時間內，房間內的相對濕度變化量將達到17.6%，這是非常可觀的變化數值。由此可見，在沒有其他調濕手段輔助或干預的情況下，建筑內表面多孔調濕材料的吸放濕作用對于房間內濕度調節有重要的影響。如果將多孔調濕材料規模應用于建筑內表面裝飾，單靠其吸放濕特性也能實現對建筑室內環境的局部調節和適度改善。

3.2 濕緩沖值對于建筑能耗的影響

目前，南京地區并沒有普遍使用單獨的除濕機等除濕手段，而是通過空調在調節溫度的同時調節室內相對濕度，以達到室內環境舒適的要求[15]。而為了估算MBV值對于能耗的影響，這里選擇單獨運行的除濕機作為計算的參照，而除濕機的除濕效率取決于每小時的除濕量。

根據資料，家用除濕機的功率為每平米20～30 W。上述實際算例所設定的房間的面積為20 m2，即該房間若采用除濕機除濕，應選用500瓦左右功率的除濕機。根據式（2）和式（3）計算得到的結果，可以推算出在相同時間的同一房間內，假定調濕材料充分吸濕，則其效率相當于一個500 W左右的家用除濕機開啟除濕1.59/1.01=1.6 h，所節省的電為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表面裝飾材料，其節能貢獻率可達10%。從這個角度來看，如果調濕材料的吸濕性能良好并且大面積使用，其對于節能的作用是顯而易見的。

4 結 論

1）利用NORDTEST法測定3種調濕材料濕緩沖特性相關參數并計算其各自的濕緩沖值。實驗結果表明3種多孔調濕材料均具有一定的吸放濕能力和對于濕度變化的應答能力，且調濕過程呈周期循環。其中硅藻泥對于濕度變化反應最快，但濕緩沖值相比稻草板和纖維水泥較小，調濕作用有限。

2）基于實際調研分析得出長江中下游地區梅雨季節住宅室內相對濕度變化區間為60%～85%，明顯高于NORDTEST法設定的濕度區間值。筆者基于調研數據對濕緩沖值測定實驗的濕度區間進行調整。結果顯示，不同濕度區間內測定結果差異明顯。濕度區間臨界值越大，測定得到的濕緩沖值越大。因此，濕緩沖值的測定需考慮不同氣候下相應的濕度變化區間這一實際因素。

3）在實驗數據的基礎上，提出MBV值在建筑能耗估算以及建筑室內濕環境評價方面的實際應用方法。通過實例分析得出高溫高濕地區，選擇合適的調濕材料可有效降低建筑能耗10%左右，還可以對室內濕環境起到調節緩沖作用，提高舒適性。

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（編輯 胡 玲）