外保溫復(fù)合墻體薄空氣間層濕度對傳熱的影響

方 武，魯祥友

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

關(guān)于外保溫復(fù)合墻體的傳熱特性，國內(nèi)已有文獻(xiàn)對其進(jìn)行了研究[1]，也有文獻(xiàn)對此類墻體進(jìn)行了熱濕耦合的數(shù)值模擬[2]，但是針對復(fù)合墻體空氣間層濕度變化對傳熱的影響還鮮有研究。筆者在合肥地區(qū)某建筑現(xiàn)場采集了大量的薄空氣間層相對濕度和溫度，復(fù)合墻體熱流密度等數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣間層濕度(下文均指相對濕度)變化時(shí)，復(fù)合墻體的傳熱也有相應(yīng)的變化，并且兩參數(shù)呈負(fù)相關(guān)特性。通常認(rèn)為外保溫復(fù)合墻體的保溫層與建筑墻體之間的空氣間層保溫隔熱作用，尤其當(dāng)空氣間層足夠薄時(shí)，其對流傳熱弱化到可以忽略不計(jì)[3]，這時(shí)的傳熱只剩導(dǎo)熱和輻射兩種方式，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，所以輻射傳熱是薄空氣間層的主要傳熱方式。對此，筆者認(rèn)為既然輻射傳熱是空氣間層的主要傳熱方式，那么濕度對傳熱的影響也一定是輻射傳熱的主要影響。

1 建筑復(fù)合墻體傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

1.1 復(fù)合墻體構(gòu)造

保溫復(fù)合墻體的構(gòu)造是在建筑墻體外加一層由保溫材料制成的保溫板，也就是外保溫結(jié)構(gòu)，這樣建筑墻體和保溫板就構(gòu)成了復(fù)合墻體(見圖1)。為了增強(qiáng)保溫性能，在建筑墻體和保溫板之間留一狹窄的空氣間層，在夾層中沿著豎直方向每隔一段距離放置一根龍骨，龍骨和外墻之間的縫隙用密封膠填充，其作用是便于連接固定保溫板，同時(shí)也能對夾層空氣形成隔斷，以弱化空氣流動(dòng)減少對流傳熱。本文實(shí)驗(yàn)選用合肥地區(qū)某建筑作為研究對象，建筑墻體主要由空心粘土磚構(gòu)成，外抹水泥砂漿，內(nèi)涂石灰層及裝飾涂料，墻體厚度約為280 mm。保溫板由聚氨酯硬質(zhì)泡沫作為主材，外表面為鋁合金板，內(nèi)表面為鋁箔，總體厚度約為 40 mm。空氣間層厚度約為30 mm，上下兩根龍骨距離約為500 mm。

圖1 保溫復(fù)合墻體構(gòu)造示意

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

整個(gè)復(fù)合墻體的厚度約為350 mm，墻體高3.6 m，寬6.0 m，高度和寬度都超過了厚度的10倍，可以認(rèn)為是一維平壁導(dǎo)熱問題。因此，整個(gè)檢測采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測方法[4]，在垂直墻體方向上布置熱流片測熱流密度，布置測溫電偶測墻體壁溫及夾層溫度，測溫探頭和熱流片均采用導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱硅膠粘接，在空氣間層內(nèi)設(shè)置濕度探頭來測量相對濕度的變化，總共布置了12個(gè)測溫點(diǎn)，6個(gè)相對濕度測點(diǎn)和6個(gè)熱流密度測點(diǎn)，即6組測點(diǎn)，然后求取平均值，圖2和圖3顯示了測試傳感器的安裝[5]。

圖2 溫度探頭和熱流片在外墻表面的安裝

圖3 保溫墻體外觀及相對濕度和墻面溫度探頭

主要測試傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為30 min，時(shí)間長度為2019年整年。由于實(shí)驗(yàn)儀器在室內(nèi)外溫差10 ℃以上的條件下測試誤差比較小，這里選取7、8月份的夏季測試工況數(shù)據(jù)來分析空氣間層濕度變化對復(fù)合墻體熱流密度的影響。因?yàn)楸粶y建筑夏季連續(xù)使用空調(diào)，能滿足室內(nèi)外溫差的測試要求，而冬季沒有采暖，條件不如夏季，春秋季室內(nèi)外溫差更小，數(shù)據(jù)的可信度就更差了。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

本文研究的目的就是分析空氣間層濕度對復(fù)合墻體傳熱的影響，所以首先采用單因素方差分析來考察濕度對傳熱的影響，利用回歸分析得出濕度與傳熱的關(guān)系表達(dá)式，然后再考慮其他因素對此傳熱過程的影響。

2.1 濕度的單因素統(tǒng)計(jì)分析

將同步采集的數(shù)據(jù)在Excel中進(jìn)行方差和回歸分析，結(jié)果如表2和表3所示。

濕度的變化由49%變化到85%(超出此范圍的數(shù)據(jù)采集的太少，舍去不用)，按1%變化進(jìn)行分組，總計(jì)860個(gè)數(shù)據(jù)。在方差分析(見表2)中F檢驗(yàn)的計(jì)算值(F)為3.92，臨界值(F crit)為1.44，顯著性水平(P-value)遠(yuǎn)小于0.01，說明濕度的變化對熱流密度的影響是顯著的。在回歸分析(見表3)中擬合的線性方程截距(Coefficients，Intercept)為31.56，斜率(Coefficients，組)為-0.34，說明熱流密度隨濕度的變化有負(fù)相關(guān)特性，圖4為回歸分析得到的熱流密度隨濕度變化的關(guān)系曲線。回歸方程的可信度檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)值(Multiple R)為0.84，接近1；方差檢驗(yàn)F值為79.44，遠(yuǎn)大于1，說明擬合的方程有較高的可信度[6]。

表2 濕度的單因素方差分析

表3 濕度的單因素回歸分析

方差檢驗(yàn)dfSSMSFSignificance F回歸分析1466.5104466.51036379.437682662.03992E-10殘差34199.67045.87265826總計(jì)35666.1807

Coefficients標(biāo)準(zhǔn)誤差t StatP-valueIntercept31.5596082.59629612.15562716.29424E-14組-0.3434499870.038535-8.9127822.03992E-10

圖4 濕度對熱流密度的回歸擬合曲線

上述分析可知，濕度存在對傳熱的影響。然而，這只是對濕度的單因素分析，還不能排除其他因素的影響，即是否存在其他因素與濕度之間交互作用，綜合影響了傳熱？大平壁傳熱中溫度是影響傳熱的主要因素，在復(fù)合墻體的夾層空間內(nèi)溫度的變化可以引起濕度的變化，因此實(shí)驗(yàn)中我們同步采集了空氣間層溫度的數(shù)據(jù)。以下是對空氣間層濕度、溫度雙重影響的傳熱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 溫濕度的雙因素統(tǒng)計(jì)分析

雙因素分析目的是分離出溫度因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從而檢驗(yàn)出濕度對傳熱影響的有效性。因此，首先對溫濕度進(jìn)行雙因素回歸分析，然后再對溫度進(jìn)行單因素回歸分析，比較兩次分析的結(jié)果，得出是否存在濕度影響傳熱的結(jié)論，Excel中回歸分析的結(jié)果如表4和表5所示。

表4 溫濕度的雙因素回歸分析

方差檢驗(yàn)dfSSMSFSignificance F回歸分析214056.027028.011157.65084.89E-59殘差85838249.344.5796總計(jì)86052305.32

Coefficients標(biāo)準(zhǔn)誤差t StatP-valueIntercept-80.48128.051169-9.996212.49E-22溫度2.3647570.16701914.15864.72E-41濕度0.2144250.0487454.3989471.22E-05

表5 溫度的單因素的回歸分析

方差檢驗(yàn)dfSSMSFSignificance FdfSSMSFSignificance F回歸分析113193.3813193.38289.76083.26E-56殘差85939111.9445.53195總計(jì)86052305.32

Coefficients標(biāo)準(zhǔn)誤差t StatP-valueIntercept-48.19283.343534-14.41372.42E-42溫度1.7900540.10515917.022363.26E-56

比較表4和表5的回歸平方和看出，溫濕度的雙因素回歸平方和為14056.02，僅有溫度的單因素回歸平方和為13193.38，說明濕度因素的加入的確影響了傳熱，而且是獨(dú)立于溫度因素的。表4中擬合的線性方程溫度項(xiàng)系數(shù)(Coefficients)為2.36，濕度項(xiàng)系數(shù)(Coefficients)為0.21；溫度項(xiàng)偏回歸系數(shù)t檢驗(yàn)值(t Stat)為14.16，濕度項(xiàng)偏回歸系數(shù)t檢驗(yàn)值(t Stat)為4.40，說明溫度比濕度更大地影響了傳熱。另外，濕度項(xiàng)回歸系數(shù)在表3中是負(fù)值，加入溫度因素以后成正值(見表4)，說明溫度也影響了濕度的變化。

據(jù)以上分析可知，溫度對傳熱的影響起主導(dǎo)作用，而濕度也獨(dú)立地影響傳熱。

3 傳熱機(jī)理分析

通過以上統(tǒng)計(jì)分析可知，空氣間層的濕度是獨(dú)立影響復(fù)合保溫墻體的傳熱的，并且兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的特性。濕度是如何影響傳熱的，下面從導(dǎo)熱、對流及輻射三種基本傳熱方式上分別分析濕度影響傳熱的機(jī)理。

3.1 導(dǎo)熱

空氣間層的導(dǎo)熱屬于氣體導(dǎo)熱問題，氣體導(dǎo)熱機(jī)理是氣體不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。空氣濕度變化時(shí)，空氣中水蒸氣組分會有變化，則空氣中水蒸氣的氣體分子數(shù)目也會變化，從而影響整個(gè)濕空氣氣體分子的數(shù)目，進(jìn)而影響導(dǎo)熱。然而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，干空氣20 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259 W/(m·K)，同樣條件下的水蒸氣為0.0194 W/(m·K)[7]，即使?jié)穸茸兓鹆藵窨諝鈿怏w分子數(shù)目的變化，這個(gè)變化對導(dǎo)熱的影響也是微乎其微的。因此，濕度的變化對空氣間層的導(dǎo)熱影響很小，可以忽略。

3.2 對流

實(shí)驗(yàn)的復(fù)合墻體薄空氣間層厚度約為30 mm，上下兩根龍骨距離約為500 mm，厚度與高度的比值為0.06，遠(yuǎn)小于無線大空間自然對流要求的下限值0.3，所以是有限空間的自然對流問題，此時(shí)的對流傳熱與流體性質(zhì)、兩壁溫差、空間位置、形狀、尺寸比例的等多種因素的影響。實(shí)驗(yàn)中多數(shù)情況下空氣間層兩壁的溫差都在10 ℃以內(nèi)，取上限10 ℃，空氣溫度取均值30 ℃，厚度30 mm，結(jié)合其他常量計(jì)算出的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)僅為3.98×10-11，遠(yuǎn)小于對流發(fā)生的下限值2000，認(rèn)為這種情況下的空氣間層沒有對流傳熱[8]。Gallegos-Munoz Armando 用CDF數(shù)值模擬也說明了當(dāng)空氣間層厚度在30 mm以下時(shí)對流傳熱很小[9]。實(shí)驗(yàn)中還采集了空氣間層內(nèi)部的空氣流速，數(shù)值在0到0.08 m/s之間，風(fēng)速很小，不足以產(chǎn)生氣流流動(dòng)。

既然薄空氣間層內(nèi)不具備對流換熱的條件，那么濕度的變化也不會影響對流傳熱了。即使具備了對流換熱的條件，由于濕度的變化并不引起流速的改變，所以也不會對對流傳熱產(chǎn)生影響的。

3.3 輻射

復(fù)合墻體薄空氣間層的輻射傳熱屬于無限大平行平板間的輻射傳熱問題。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，兩壁的溫差是形成輻射傳熱的主要因素，然而間層中的濕空氣卻不能視為透明體，它吸收了部分的輻射而形成了輻射傳熱熱阻，從而影響了輻射傳熱。

常見的建筑材料在常溫下的都是以長波輻射的方式進(jìn)行熱輻射，其發(fā)射率在0.8～0.96之間，波長范圍在0.76～100 μm[10]，水蒸氣對熱輻射具有吸收能力的光帶主要集中在波長2.55～30 μm范圍內(nèi)[11]。由此可以看出，建筑墻體發(fā)射的熱射線是很容易被水蒸氣吸收的。

當(dāng)薄空氣間層內(nèi)的濕度變化時(shí)，其內(nèi)的水蒸氣含量也隨之變化。此時(shí)從空氣間層的高溫壁面向低溫壁面的輻射傳熱就會受到空氣中水蒸氣的影響，在溫度不變的情況下，當(dāng)濕度增加時(shí)，水蒸氣含量增加，吸收輻射熱增強(qiáng)，輻射傳熱減弱；反之則輻射傳熱增強(qiáng)。前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的濕度單因素統(tǒng)計(jì)分析也反映了濕度與傳熱的負(fù)相關(guān)特性，這主要是濕度對輻射傳熱造成了顯著的影響。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析得出如下結(jié)論：復(fù)合保溫墻體薄空氣間層空氣濕度的變化獨(dú)立地影響著墻體的傳熱，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，其影響機(jī)理主要是阻礙了輻射傳熱。由此可知，在具有外保溫結(jié)構(gòu)的建筑墻體傳熱計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮空氣間層濕度的影響。

需要說明的是，本文所分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)空氣間層濕度變化范圍在40%和90%之間，并未達(dá)到飽和，這和復(fù)合墻體良好的密封結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與復(fù)合墻體冷側(cè)壁溫沒有低于間層空氣露點(diǎn)溫度有關(guān)。如果墻體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏造成雨雪水侵入間層，或者冬季極端低溫下造成冷側(cè)壁溫低于間層空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)的相變情況，將使傳熱條件發(fā)生變化，則需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析研究。