室內(nèi)溫濕度對組合墻體內(nèi)部濕積累影響分析

李炳華

(福州市建筑設(shè)計院　福建福州　350011)

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室內(nèi)溫濕度對組合墻體內(nèi)部濕積累影響分析

李炳華

(福州市建筑設(shè)計院福建福州350011)

以福州地區(qū)室外氣候數(shù)據(jù)為邊界，利用一維熱濕傳遞方程對加氣混凝土為主體結(jié)構(gòu)的組合墻體內(nèi)部濕積累進(jìn)行計算分析。室外在較低溫度條件下，水泥砂漿內(nèi)可能出現(xiàn)短期濕積累。加氣混凝土良好透濕能力，使得自身保持相對穩(wěn)定的濕工況。當(dāng)室內(nèi)溫度降低到一定程度時，室外濕度在較大的溫度梯度作用下，在局部短時間內(nèi)引起內(nèi)側(cè)墻體濕積累量突然增加。

熱濕傳遞；濕積累；組合墻體

0　引言

建筑外墻結(jié)構(gòu)一般由主體、飾面層、保溫層等多層組合，其中建筑材料一般包含磚墻、加氣混凝土、水泥砂漿、石灰等。在熱濕傳遞過程中，建筑墻體內(nèi)濕積累，可能引發(fā)墻體內(nèi)部結(jié)露及霉菌等微生物的生長，一方面導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化，危害人體的健康，另一方引起墻體材料熱工性能改變，耗熱量增大和圍護(hù)結(jié)構(gòu)損壞。在室外高溫高濕氣候環(huán)境及室內(nèi)空調(diào)工況下，墻體熱濕耦合遷移對墻體內(nèi)部濕積累及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能有十分重要的影響。

為了求解墻體內(nèi)部溫度和濕度的分布，國內(nèi)外許多學(xué)者提出各種墻體熱濕傳遞的數(shù)值模型。Philip和DeVries 模型[1]，采用材料含濕量和溫度為驅(qū)動勢，由于材料吸濕性能差異以及不同材料在各層之間的交際面不連續(xù)，難以準(zhǔn)確求解；Luikov模型[2]，提出遷移勢的概念，比較全面地描述了墻體內(nèi)部熱濕遷移過程，但模型中涉及一些物性參數(shù)難以確定且方程求解困難，影響了該模型的廣泛應(yīng)用。Künzel[3]等以毛細(xì)壓力和相對濕度代替材料含濕量做為驅(qū)動勢，推導(dǎo)出相對有效的計算模型，并能夠比較準(zhǔn)確的求解方程。陳友明等[4]以墻體中空氣含濕率及溫度為驅(qū)動勢，推導(dǎo)出多層墻體一維瞬態(tài)熱濕耦合傳遞方程。

本文將根據(jù)Künzel提出的方法，建立一維熱濕傳遞耦合方程[3]，計算分析墻體內(nèi)部濕積累與室內(nèi)外環(huán)境變化的關(guān)系。

1　墻體熱濕傳遞模型分析

1.1基本計算方程

一維熱濕輸運(yùn)方程：

(1)

(2)

式中，λ為建材導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；Dφ為建材液相傳導(dǎo)系數(shù)，kg/m·s；δp為建材水蒸氣滲透性，kg/m·s·Pa；hv為水蒸發(fā)焓，J/kg；psat為飽和水汽壓，Pa；?為溫度，℃；φ為相對濕度，%。

1.2微分方程的離散化

計算方程的離散采用有限元法：

(3)

式中，Φ為溫度或相對濕度的標(biāo)量；c為在i，j位置，體積元素的存儲容量；Γxe，Γxw，Γyn，Γys為東西南北邊界的傳遞系數(shù)；S為體積元素i，j的源或匯；Δt為時間步長；Δx，Δy為體積元素i，j在x，y方向的尺寸；ΔXe，ΔXw，ΔYn，ΔYs為體積元素i，j的中心位置到東西南北方向相連的中點的距離；i為體積元素在x方向的索引；j為體積元素在 y向的索引；n為時間增量的索引。

1.3濕積累函數(shù)

材料的吸濕性可以用含水率表示。不同材料的吸濕性與環(huán)境的溫濕度變化有很大的關(guān)聯(lián)。在多孔吸濕材料中，孔隙表面系統(tǒng)從空氣中不斷的吸收水分子，直至達(dá)到與周圍空氣濕度相平衡的含水率。Krus等[5-6]通過模擬得出不同建筑材料的濕積累函數(shù)，并運(yùn)用實驗方法近似擬合得到濕積累方程：

(4)

式中，wf為自由飽和度，kg/m3；φ為相對濕度，%；b為近似因子。

2　組合墻體的定義

在一維計算條件下，本文主要研究分析加氣混凝土為主體結(jié)構(gòu)的墻體內(nèi)部熱濕特性。如圖1所示，建立組合墻體結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)的順序依次為：20mm厚的水泥砂漿，250mm厚的加氣混凝土，20mm厚的石灰。在墻體的內(nèi)外側(cè)以及各層材料的交界面設(shè)置溫濕度監(jiān)測點。各種墻體材料物性參數(shù)包括：密度、孔隙率、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散阻力因子等基本參數(shù)，如表1所示。

各層組合墻體交界面通過節(jié)點平衡法建立方程，并對一維熱濕傳遞耦合方程采用有限元法，運(yùn)用WUFI[7]建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞軟件進(jìn)行求解。

表1　材料物性參數(shù)

3　室內(nèi)外邊界條件

福州地區(qū)屬于夏熱冬暖氣候區(qū)域，夏季炎熱，且空氣濕度大。模擬計算所需的室內(nèi)外邊界條件，其中室外溫濕度條件按照以實測氣象環(huán)境為基礎(chǔ)的中國標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)CSWD[8]。如圖2和圖3所示，為福州市全年室外溫度、濕度隨時間變化曲線。本文擬對室內(nèi)空調(diào)工況下，溫度和濕度的變化對組合墻體內(nèi)部濕積累的影響分析，室內(nèi)分別在3種溫濕度設(shè)計工況下進(jìn)行：工況1，溫度25℃，濕度60%；工況2，溫度25℃，濕度70%；工況3，溫度22℃，濕度70%。

4　計算結(jié)果及分析

根據(jù)歷年氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，福州地區(qū)室外氣溫最高時段是從5月份至9月份(圖2)，因此本文將數(shù)值模擬計算區(qū)間設(shè)定在這個時段。在室內(nèi)空調(diào)溫度分別在22℃～25℃、相對濕度60%～70%的變化過程中，通過建立的熱濕傳遞模型計算出各個工況下墻體材料內(nèi)部含水量變化曲線，計算結(jié)果如圖4～圖9所示。

水泥砂漿位于外墻的最外側(cè)，其內(nèi)部含水量變化曲線如圖4、圖5所示。在室內(nèi)溫度22℃～25℃，相對濕度60%～70%的變化范圍內(nèi)，3種設(shè)計工況計算得出水泥砂漿含水量波動走勢基本一致。在5月、6月份室外溫濕度波動劇烈，水泥砂漿含水量變化區(qū)間較大(15kg/m3～45kg/m3)。在7月～9月份室外溫濕度雖然處于高溫高濕狀態(tài)，但是變化平穩(wěn)，水泥砂漿含水量也處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其中7月、8月份水泥砂漿含水量在20 kg/m3上下波動。由此可見，水泥砂漿含水量受外側(cè)氣候環(huán)境變化的影響大，基本上不受室內(nèi)側(cè)溫濕度變化的影響。

從整體上看，如圖4所示，在室內(nèi)設(shè)計溫度均為25℃時，相對濕度為70%的設(shè)計工況，水泥砂漿內(nèi)含水量比相對濕度60%時要高，室外高溫條件下更為明顯。在室外溫度相對較低的時候，水泥砂漿含水量出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的情況(7月初，8月中旬)。從以上分析可知，室內(nèi)溫度一定情況下，室外高溫有利于室內(nèi)濕度向外傳導(dǎo)，室外溫度較低情況下，水泥砂漿含水量可能出現(xiàn)短期積累。如圖5所示，室內(nèi)設(shè)計相對濕度70%時，在5月、6月、9月份室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃和設(shè)計溫度為22℃兩種工況下，水泥砂漿的含水量呈一致變化趨勢，并且室內(nèi)溫度高、水泥砂漿含水量略高。在7月、8月份水泥砂漿含水量與室內(nèi)溫度變化出現(xiàn)背離，室內(nèi)溫度高、水泥砂漿含水量減少。

如圖6、圖7所示，加氣混凝土含水量在室內(nèi)外溫濕度的影響下，呈現(xiàn)一致遞減的變化趨勢。與水泥砂漿相比其含水量變化更為平穩(wěn)，未出現(xiàn)劇烈的上下波動情形。一方面因為水泥砂漿減弱室外溫濕度變化的影響，另一方面也說明加氣混凝土良好的熱工性能及透濕能力，使得自身未出現(xiàn)大量濕積累的現(xiàn)象。

如圖6所示，在室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃時，相對濕度提高，加氣混凝土內(nèi)含水量增加。隨時間的遷移，兩者含水量之差逐漸拉大。由此可見，室內(nèi)相對濕度較低的情況下，加氣混凝土含水量滲透更快，濕積累減少。在室內(nèi)設(shè)計相對濕度70%時，溫度降低，加氣混凝土含水量增加。如圖7所示，隨時間的變化，兩者含水量之差幾乎不變，室內(nèi)溫度降低對濕遷移起抑制作用，減弱程度與溫度變化近視成正比關(guān)系。

如圖8所示，由于石灰層位于室內(nèi)側(cè)，其含水量的變化主要來自室內(nèi)側(cè)溫濕度的影響。在室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃時，石灰內(nèi)含水量變化近視呈直線變化。室內(nèi)相對濕度為60%時，其內(nèi)含水量約為22.5kg/m3，室內(nèi)相對濕度為70%時，其內(nèi)含水量約為27.5kg/m3。在室內(nèi)溫度一定的情況下，石灰含水量與室內(nèi)相對濕度變化成正比。

當(dāng)室內(nèi)溫度降低至22℃時，在室外溫度梯度和濕度梯度驅(qū)動下，濕遷移往室內(nèi)聚集，此時室內(nèi)相對濕度(70%)處于較高的水平下，在5月、6月份出現(xiàn)局部時間段濕積累突然增加的情況，如圖9所示。這與水泥砂漿含水量在5月和6月中旬突然出現(xiàn)較大波動相關(guān)。室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃，相對濕度70%的工況下，未出現(xiàn)這種情況，說明室內(nèi)外溫度梯度不足以引發(fā)濕度逆向傳導(dǎo)。根據(jù)上述分析可知，室內(nèi)溫度降低到一定程度時，室外濕度在較大的溫度梯度作用下，濕氣往室內(nèi)逆向傳導(dǎo)量大于正向傳導(dǎo)量，在局部短時間內(nèi)石灰濕積累量出現(xiàn)跳躍式的增加。

5　結(jié)語

從室外側(cè)到室內(nèi)側(cè)，各層建材受室外環(huán)境影響逐漸減小，水泥砂漿內(nèi)部含水量波動最大。室內(nèi)溫度一定的情況下，室外高溫有利于室內(nèi)濕度向外傳導(dǎo)；室外較低溫度工況下，水泥砂漿含水量可能出現(xiàn)短期積累。加氣混凝土良好的熱工性能及透濕能力，使得自身未出現(xiàn)大量濕積累的現(xiàn)象。石灰層在室內(nèi)相對恒定的溫濕度工況下，自身含水量保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)室內(nèi)溫度降低到一定程度時，室外濕度在較大的溫度梯度作用下，引起內(nèi)側(cè)墻體濕積累量突然增加。實際工程中，由于最外層維護(hù)結(jié)構(gòu)長期處于高濕狀態(tài)，墻體熱工性能破壞嚴(yán)重；室內(nèi)處于較低空調(diào)溫濕度工況下，內(nèi)側(cè)墻體濕積累增加，極容易誘發(fā)霉菌的生長。

[1]Belarbi R,Qin M h,Ait-Mokhtar A, et al.Experimental and theoretical investigation of non-isothermal transfer in hygroscopic building materials[J]. Building and Environment ,2008,43(12):2154-2162.

[2]Luikov A V. Heat and Mass Transferin Capillary Porous Bodies. Pergmon Press Ltd.Headington Hill Hall,Oxford,London,1966.

[3]Künzel H M. Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components. One and two-dimensional calculation using simple parameters：[dissertation]. Fraunhofer Institute of Building Physics，1995，38-55.

[4]郭興國，陳友明. 熱濕氣候地區(qū)多層墻體的熱濕性能分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，35(8)：1-4.

[5]Krus, M. Moisture Transport and Storage Coefficients of Porous Mineral Building Materials.Theoretical Principles and New Test Methods.Fraunhofer IRB Verlag, 1996.

[6]Holm, A., Krus, M., Künzel, H.M.: Feuchtetransport über Materialgrenzen im Mauerwerk.Bauinstandsetzen 2 (1996), H. 5, 375 - 396.

[7]李炳華. 多層組合墻體內(nèi)部熱濕環(huán)境對霉菌生長的影響分析[J]. 長沙：湖南大學(xué)，2011，17-19.

[8]高慶龍. 被動式太陽能建筑熱工設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究[J].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006，15-18.

Analysis the Influence of Temperature and Humidity about the Moisture Content in Multi-layer Wall

LI Binghua

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

In this paper, the climate date measured in Fuzhou was used as boundary condition to simulation the moisture content in multi-layer wall of the aerated concrete with the one dimensional heat and moisture transfer equation. Under the condition of low outdoor temperature, cement mortar in the short term moisture accumulation may occur. As a result of aerated concrete permeability is good ability, make its relatively stable in wet conditions. When indoor temperature reduced to a certain extent, the outdoor humidity under the effect of large temperature gradient, it causes the moisture accumulation of internal wall sudden increase in a short period of time.

Heat and Moisture Transfer；Moisture Content；Multi-layer Wall

李炳華(1985.4-)，男，工程師。E-mail:npad@qq.com

2016-08-09

TU31

A

1004-6135(2016)09-0076-04