多孔介質墻體熱濕傳遞實驗測試研究

羅羽， 謝東*， 周曦， 陳國杰， 肖佩林， 王漢青，4

(1.南華大學土木工程學院， 衡陽 421001； 2.南華大學建筑環境控制技術湖南省工程實驗室， 衡陽 421001； 3.南華大學裝配式建筑節能技術湖南省重點實驗室， 衡陽 421001； 4.中南林業科技大學土木工程學院， 長沙 410000)

近年來，隨著節能需求的增長，建筑圍護結構的熱工性能越來越受到關注。研究圍護結構熱濕耦合傳遞規律及影響對有利于準確計算空調的負荷變化，降低能量損耗，提升空氣品質[1]。搭建能夠準確控制環境、精確測量熱濕參數的實驗臺開展可靠的實驗研究對建筑圍護結構的熱濕性能準確評價以及模型的發展與驗證至關重要。

諸多學者進行了大量的建材熱濕參數及圍護結構熱濕耦合特性實驗研究。Liu等[2]通過測量材料有效導熱系數，認為有效導熱系數與環境的相對濕度成正比。雷玥等[3]歸納了多孔建筑材料典型熱濕物理性質的測試方法，表明濕物理性質的測試還存在明顯缺陷，現階段中國亟待建立建筑材料熱濕物理性質參數的測試標準，獲得可靠、完備的熱濕參數數據庫。吳王良等[4]搭建可控式熱濕耦合試驗臺實現了燒結頁巖空心磚兩側溫濕度恒定但不同的試驗條件，開展了一系列空心磚內熱濕耦合傳遞的試驗研究。Abdykarim等[5]通過氣候室控制夯土墻一側邊界條件，研究了墻體中部、表面的溫度變化以及墻內含水率變化。Colinart等[6]利用氣候室實驗研究了有涂層的大麻混凝土墻的水分傳遞，發現吸濕性較低的石膏或者涂層可以有效較少水分傳遞，但目前缺乏準確獲取墻體初始含濕量的測試手段。Rafidiarison等[7]通過雙氣候室實驗研究了單層及多層四種墻體在特定氣候條件下的溫度、濕度分布，墻兩邊的氣候條件包括簡單的等溫邊界條件以及季節中期的波動邊界條件。不同氣候情況下，不同建筑材料的熱濕響應有所不同，此外，還有一些學者根據濕源不同，以及影響濕熱傳遞的不同因素做了相關研究。孔振懿[8]聚焦研究潮濕地區磚構建筑遺產典型墻體如空斗墻和實砌墻的傳熱傳濕問題，對比研究得到了較為適宜的墻體含水量快速無損測試方法。何石維[9]在自然條件下設置降雨裝置，研究風驅雨作為濕源對實驗小屋墻體建筑熱工性能的影響。Wang[10]建立模型研究了中國濕熱氣候條件下不同夜間通風量對室內及墻體溫濕度變化和總負荷的影響。Walker等[11]研究了五個隔熱層、隔熱涂料和石灰膏部分以及實心磚墻的內部溫度和相對濕度變化。

簡而言之，目前關于圍護結構熱濕耦合傳遞的實驗研究還存在很大的發展空間。已開展的一些墻體實驗中的一些邊界條件與實際存在差異，缺乏典型氣候下室外溫濕度周期性變化對圍護結構熱、濕傳遞的影響研究，還缺乏圍護結構在高溫高濕等特殊環境中熱濕耦合傳遞的實驗研究[11]。利用人工環境艙開展的墻體實驗也十分有限，其能耗較高且受到傳感器發展限制，能夠精確調節動態變化溫濕度環境的設備還有待發展。實際氣候下開展的墻體實驗不能排除太陽輻射和風速等其他偶然因素對熱濕耦合傳遞的影響，可靠的環境艙實驗可以更準確地分析熱傳遞與濕傳遞的互相影響及規律。

現通過搭建可精確控制溫濕度模擬環境的大型人工環境艙墻體測試實驗平臺，開展多層加氣混凝土墻體實驗，并利用環境艙營造三組符合夏熱冬冷夏季、冬季和南海極端熱濕氣候[12]特征的溫濕度環境，控制室外溫濕度周期變化及室內溫濕度恒定，測試墻體內不同位置溫濕度分布及變化，研究不同氣候下新建加氣混凝土墻體熱濕耦合傳遞規律及影響。

1 環境艙墻體測試實驗臺的構建

環境艙的系統原理圖見圖1。南華大學大型人工環境艙實驗臺由室內艙、室外艙兩個測試房間以及設備控制室和設備機房組成，包括溫濕度控制部件、數據監測與采集部件以及輔助設備三大部分。

1為加濕盤管；2為加熱器；3為風機；4為蒸發盤管；5為傳感器過 線箱；6為測試墻體；7為可拆卸保溫板；8為取樣風機；9為實驗溫 度熱電偶及相對濕度傳感器；10為監視器；11為控制計算機； 12為采集柜；13為控制柜；14為動力柜；15為水冷冷水機組； 16為壓縮機，包括常溫壓縮機和低溫壓縮機圖1 環境艙系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of environmental cabin system

1.1 溫濕度控制部件

溫濕度控制部件由加濕盤管、加熱器、風機、蒸發盤管、取樣風機、水冷冷水機組、常溫壓縮機及低溫壓縮機等設備組成。環境艙可以利用該部分部件模擬自然環境、極端環境，提供測試墻體試件所需的溫度、濕度、風吹等。室內艙可調節的氣候范圍為溫度[(-5～40)±0.3]℃，相對濕度[(20～90)±5]%。室外艙可以調節的氣候環境范圍為溫度[(-30～50)±0.3]℃，相對濕度[(20～90)±5]%。室外艙環境溫度和相對濕度可參照實際氣候變化情況按正弦函數曲線進行變化，動態精確連續自動調節，穩定的控制環境。

1.2 數據監測與采集部件

監測采集部件由傳感器過線箱、控制計算機、采集柜組成。設備的自動調節是在測試軟件上實現PID表的操作，主要有設定值輸入修改、正反作用設定、儀表偏差設定、百分比輸出的實時調整等功能。由此實現動態精確連續自動調節工況條件，具有直觀性和可靠性。數據采集系統由計算機和數據采集器、傳感器構成。測量值由計算機自動進行數據采集處理并存檔，在計算機測試軟件顯示界面按功能類別顯示，便于查看切換和存檔，自動打印試驗報告，并可分析實驗結果和測試數據。

1.3 輔助設備

輔助設備包括可卸載保溫板、監視器、控制柜、動力柜。可卸載保溫板安裝于兩個測試房間之間，可在實驗中取下保溫板然后安裝被測試墻體，可安裝墻體的面積為1 500 mm×2 000 mm。控制柜可用于手動調節溫濕度設定值。動力柜提供給各設備動力以及照明。輔助部件還包括實驗所需外接的傳感器等。

墻體測試實驗時，環境艙可以長期穩定控制墻體兩側氣候室，通過布置的溫濕度測點監測并記錄墻體隨環境及時間變化引起的溫度和相對濕度的變化，研究建筑圍護結構內部的熱濕耦合傳遞規律及影響。

2 實驗方案

2.1 實驗墻體結構

實驗墻體為多層加氣混凝土墻，尺寸為1 000 mm×240 mm×1 500 mm，由20 mm水泥砂漿+200 mm加氣混凝土+20 mm水泥砂漿組成，見圖2。加氣混凝土砌塊是一種新型的輕質節能材料，是以粉煤灰為核心原料，以硅質材料和鈣質材料為主要原料，具有質量輕、隔熱性能高、強度參數好等特點，目前在建筑行業有十分廣闊的應用前景[13]，此外加氣混凝土的孔隙率較大，孔隙內水分的增加對其傳熱性能影響顯著。為了避免墻體與周圍環境的熱量和水分交換，并確保在測試墻壁中進行一維的熱量和質量傳遞，墻壁四周用5 cm擠塑板包圍。測試墻體置于室外艙和室內艙之間，見圖1中編號6。

圖2 墻體結構及測點布置Fig.2 Wall structure and layout of measuring points

2.2 測點布置及數據采集

本試驗數據測量系統由KS-SH13T相對濕度傳感器和銅-康熱電偶組成。相對濕度傳感器的測量精度為±1.5%，溫度熱電偶的測量精度為±0.5 ℃，在本實驗測試的溫濕度環境中均可以維持較好的穩定性和可靠性。相對濕度傳感器和溫度熱電偶在施工階段都預埋在墻體內部。測點位于墻體中部距離地面500 mm高處，垂直墻面向內分布5個測點，分別位于距離內墻表面0、20、120、220、240 mm處，依次對應著內墻表面、內墻側水泥砂漿與加氣混凝土交界面、加氣混凝土正中間、外墻側水泥砂漿與加氣混凝土交界面、外墻表面，見圖2。

傳感器外接到環境艙的接線箱上，見圖1編號9。經過采集柜連接到計算機軟件上顯示，可以隨時監控和連續記錄各測點的溫濕度值。可自動設置記錄數據的時間間隔，本實驗設置每間隔1 min記錄一次數據，每30個值取平均值記錄并分析。實驗過程中還連續記錄了室內艙及室外艙的在控制下的實測值。

2.3 測試條件

實驗分為A組、B組、C組三組工況，各組實驗中環境艙溫濕度設置見表1。其中A組室外艙環境參數根據夏熱冬冷地區夏季的氣候特征來設置，夏熱冬冷地區夏季存在高溫的特點；B組室外艙環境參數根據夏熱冬冷地區冬季的氣候特征來設置，夏熱冬冷地區冬季存在高濕的特點；C組室外艙環境參數則是根據南海地區的氣候特征來設置，南海地區被認為是我國極端熱濕氣候的主要區域[12]，存在高溫、高濕的氣候特點，建筑熱工分區中南海屬于夏熱冬暖地區，但實際的氣候特征與之相差很大[14]，南海地區現階段熱工分區及負荷計算的規范不能滿足實際的應用情況，該地區建筑圍護結構的熱濕傳遞特性還缺乏研究。

表1 各工況環境艙溫濕度設置

實驗過程中室內艙的溫度和相對濕度根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》中的室內計算參數值設置，并保持恒定不變。室外艙分別參照各地區氣候特征的溫度和相對濕度設置并隨正弦函數曲線周期性變化，周期為24 h。其中溫度最高值的時刻對應的相對濕度為最低值，如A組中室外艙內溫度為38 ℃時，相對濕度為45%。環境艙內采用上送側回的送風形式，根據計算機軟件可觀察到空氣風速的分布云圖和測試值，均反映艙內氣流組織均勻和低氣流。實驗墻體在環境艙內建造和澆水養護3 d后開始測試并記錄數據，每組工況持續一周。

3 結果與討論

各組室外艙溫度實測值曲線由圖3可見，其實測曲線與設定值正弦函數曲線基本吻合，溫度可以根據設定值得到精準的控制。相對濕度的精準控制對設備要求更高，本實驗中相對濕度的實測值為A組42%～52.5%，B組67%～77.5%，C組67%～77.5%，各組的相對濕度實測值曲線與設定正弦函數曲線不完全匹配，但依舊滿足實際室外周期性變化的規律，相對濕度的控制精確性也在±3%以內，可以認為環境艙對于室外艙環境的控制符合實驗需求對應氣候下的周期性變化特征。

3.1 墻體內測點的溫度變化

其中A組和C組在實驗開始前室內艙和室外艙均處于實際的外界環境條件，但由于B組溫度與外界溫差過大，提前開啟了環境艙溫度控制的預實驗，因此B組實驗正式記錄數據前室內艙和室外艙已達到目標環境溫度一段時間。

圖3 各組工況墻體內溫度變化Fig.3 Temperature change in wall under each working condition

圖3描述了三組工況下測試墻體內部測點的溫度分布及隨時間變化情況，圖3(a)對應A組工況，圖3(b)對應B組工況，圖3(c)對應C組工況，下同。由圖所示，每組工況下各溫度測點都明顯受到室外溫度的影響而呈現出周期性變化的特征，越靠近外墻該特征越明顯，變化的溫度范圍越大。各組墻體內部由內到外的測點溫度到達峰值時刻依次后移，這是傳熱存在滯后的現象。

各組工況實驗進行到第48～72小時墻體內溫度變化見圖4。第48～72小時為室外艙環境變化的一個完整周期。

圖4 第48～72小時各組工況墻體內溫度變化Fig.4 Temperature change in the wall under each working condition at 48～72 hours

根據圖4分析各組工況室外艙溫度實測值及墻內各溫度測點到達峰值的時間，結論見表2。總的來看，溫度較高的夏季傳熱滯后現象相較于溫度較低的冬季更加明顯。

表2 各組工況各溫度測點最大值及達到時刻

A組工況的室內外溫差為4～12 ℃， B組工況的室內外溫差為6～12 ℃，C組工況的室內外溫差為2～6 ℃。一個完整周期中，A、B、C各組距離室內20 mm處達到溫度最大值需要的時間分別為14、13.5、13.5 h，分析表2可以認為各工況熱傳遞速率大小順序為AC>B。對比A組與B組，說明含濕量會影響導熱系數的大小，墻體材料含濕量越高，導熱系數越大，且含濕量對傳熱速率的影響大于溫差的影響。

3.2 墻體內測點的相對濕度變化

圖5描述了三組工況下實驗墻體內部不同測點相對濕度隨時間的變化。從圖5中可以看出各組相對濕度僅在外表面明顯受到周期性變化的影響，距離內墻120、220 mm兩處測點有一定程度受到室外周期性變化的影響，相對濕度曲線呈波浪形變化但總體呈下降趨勢。

圖5 各組工況墻體內相對濕度變化Fig.5 Change of relative humidity in the wall under each working condition

三組工況下實驗始末時間點墻體內相對濕度變化如圖6所示，0為實驗開始時刻，第168小時為實驗結束時刻，實驗結束后墻體內相對濕度均有不同程度的降低，表3顯示了三組不同工況實驗后，墻體內部各點測得的相對濕度初始值與終值之差。

結合圖6和表3分析，各工況下不同時間點墻體內測點相對濕度均有所降低，但不同位置測點相對濕度降低的程度不同。各工況內墻表面和外墻表面測點相對濕度均略微上升，這反映了墻體整體向外傳濕的過程。

由圖6(a)所示，A組工況距離內表面220 mm處相對濕度降低速率明顯大于距離內表面20、120 mm 兩處。A組距離內表面20 mm處相對濕度

表3 墻內各測點相對濕度變化值

圖6 各組工況不同時間點墻體內相對濕度變化Fig.6 Change of relative humidity in the wall at different time points under each working condition

從濕飽和下降到了98.56%，降低了1.64%，距離內表面220 mm處相對濕度從92.96%下降到了85.08%，降低了7.88%。距離內表面220 mm處相對濕度的降低值約為距離內表面20 mm處的5倍，此時兩側相對濕度差很小，反映了溫度對濕傳遞的影響是十分顯著的[15]。第168小時時，距離內墻120 mm測點相對濕度由95.78%變化到了95.72%，略微上升，一方面是因為墻體中部距離兩側表面較遠，傳濕所需時間更長，另一方面說明墻體內側濕氣往室內和室外兩側傳遞，但濕傳遞的主要方向為墻體中間至墻體兩側。該工況室外側溫度較高，相對濕度較低且墻體兩側相差較小，溫度越高對濕傳遞的影響越大。

由圖6(b)所示，B組工況中墻體內部3個點相對濕度呈現均勻下降的特征。距離內墻20、220 mm處兩處的相對濕度降低值相差很小，分別為3.78%和4.11%。距離內墻220 mm處相對濕度降低值約為A組該值的一半。距離內墻120 mm處相對濕度由92.59%下降到了90.45%，降低值為2.14%，小于相鄰兩處測點。該工況室外側溫度較低，墻體兩側溫差相對較小，相對濕度差較大， 說明溫度較低時濕氣梯度大小對濕傳遞的影響不明顯，這也反映了濕傳遞速率遠小于傳熱的特點。

由圖6(c)所示，C組工況下，墻體內相對濕度依然緩慢降低，距離內墻220 mm處相對濕度由88.63%下降到了82.87%，降低了5.76%，相對濕度降低幅度相較于B組有所增大，說明濕傳遞速率隨之加快。該工況溫度相較于B組有所增高，墻體兩側溫差相對較小，相對濕度差較大，說明溫度對濕度傳遞的影響大于相對濕度對熱傳遞的影響。該工況中墻體整體下降的幅度大于A組及B組工況，說明在高溫高濕的環境中，熱濕耦合作用對墻體熱工性能的影響增大。

綜上所述，根據環境艙墻體實驗研究發現新建加氣混凝土墻體在這三個工況中均為降濕干燥過程，其墻體內部的含濕量主要由中間向兩側遷移，濕傳遞速度很慢，根據各溫濕度測點受室外環境影響的程度分析，說明濕傳遞速率遠低于熱傳遞速率。對于熱傳遞、濕傳遞相互影響的程度來說，溫度對濕傳遞的影響遠大于相對濕度對濕傳遞的影響，相對濕度對熱傳遞和濕傳遞的影響都較小。在溫度高、濕度高的南海區域，其熱濕耦合傳遞作用更加明顯。

4 結論

本文介紹了可精確控制溫濕度模擬環境的大型人工環境艙墻體測試實驗平臺的搭建，并利用環境艙營造了三種典型氣候周期性變化的溫濕度條件，控制室外溫濕度周期變化及室內溫濕度恒定，對新建加氣混凝土墻體在三種不同氣候室外溫濕度周期性變化下的熱濕耦合傳遞進行了實驗研究，并分析了其熱濕傳遞規律，為應用于不同氣候下多層圍護結構模型的模擬結果的合理性提供了驗證依據。

實驗結果表明，新建圍護結構內部濕度傳遞速率遠低于熱傳遞速率，實驗期間測試墻體內部不同位置溫度變化均受到室外溫度周期性變化的影響，而受室外相對濕度影響的程度明顯更小。距離外表面20 mm處相對濕度在夏熱冬冷夏季特征氣候下降低了7.88%，在夏熱冬冷冬季特征氣候降低了4.11%，在南海熱濕特征氣候下降低了5.76%。可以說明熱傳遞對濕傳遞促進的程度大于濕傳遞對熱傳遞的作用。南海熱濕特征氣候下墻體整體下降的幅度大于A組及B組工況，說明在高溫、高濕的環境中，熱濕耦合作用對墻體熱工性能的影響增大。

本研究為后續開展各種墻體實驗以及熱濕耦合傳遞模型的開發與模擬的驗證工作打下基礎。建筑圍護結構的熱濕耦合傳遞是一個復雜的過程，實際情況中還有太陽輻射、降雨以及風速影響墻體的熱濕傳遞。為了能夠更深入地研究其內在規律，還需要研究應用于不同環境、不同結構的不同建材的熱濕參數，針對性的開展具有實際應用意義的墻體實驗，開發更精準的溫濕度測量儀器，獲取可靠有價值的數據，為熱濕耦合模型相關理論的發展提供有效的驗證。