李 寧,孟慶林

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510640)

在建筑熱工領(lǐng)域,材料外表面換熱系數(shù)對(duì)于建筑能耗模擬和建筑熱環(huán)境的研究至關(guān)重要,各國(guó)學(xué)者用不同方法對(duì)其進(jìn)行過理論和實(shí)驗(yàn)研究。Jayamaha分析了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和表面的環(huán)境溫差對(duì)換熱系數(shù)的影響,指出實(shí)驗(yàn)期間測(cè)得的換熱系數(shù)與風(fēng)速直接相關(guān)而不遵循太陽(yáng)輻射強(qiáng)度或溫差模式[1]。天津大學(xué)王波通過建立簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)際地面鋪裝的蒸發(fā)過程,探討了孔隙率、材質(zhì)及表面顏色對(duì)透水地磚蒸發(fā)強(qiáng)度及表面溫度的影響[2]。從所查找的文獻(xiàn)中可以看出,大多數(shù)學(xué)者著眼于研究材料在干燥狀態(tài)下外表面對(duì)流換熱的規(guī)律,然而我們知道,在潮濕狀態(tài)下,材料與周圍環(huán)境之間不僅僅存在對(duì)流換熱,同時(shí)還包含了輻射換熱、蒸發(fā)換熱等多種方式,這些換熱過程都是依賴外表面特性和室外氣象條件而變化的。陳啟高、孟慶林、劉艷峰等曾進(jìn)行了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)潮濕表面換熱系數(shù)明顯大于干燥表面,蒸發(fā)換熱對(duì)材料的影響不容小覷[3]。

筆者認(rèn)為,只有對(duì)蒸發(fā)換熱的影響因素有所了解才能對(duì)其進(jìn)行更深入地挖掘,然而類似的研究卻只在土壤學(xué)和食品干燥領(lǐng)域有所發(fā)現(xiàn)。在土壤學(xué)方面,王冠麗,劉延璽等采用主成分分析法,得到與沙地土壤蒸發(fā)能力有關(guān)的11個(gè)主成分,并將影響因子分為3類：溫度因素、濕度因素、風(fēng)速因素,指出距地面高2.0 m處的氣象因子對(duì)土壤蒸發(fā)能力的影響最為顯著[4]。劉浩,孫景生等指出在一定的條件下,溫室白菜和蘿卜棵間土壤蒸發(fā)與太陽(yáng)輻射、氣溫和相對(duì)濕度均呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系[5]。王修信等指出,半干旱地區(qū)草地水熱通量受凈輻射影響最大,其次是下墊面與氣溫之差、下墊面溫度,再次是相對(duì)濕度(僅對(duì)潛熱)和氣溫,而風(fēng)速影響相對(duì)較弱[6]。Kondo.Saigusa和Sato認(rèn)為土壤蒸發(fā)在其較濕時(shí)對(duì)風(fēng)速比較敏感,較干時(shí)則不敏感[7]。問曉梅研究表明,半干旱地區(qū)土壤蒸發(fā)的形成及蒸發(fā)強(qiáng)度受外部氣象因素及內(nèi)部含水量的大小和分布的影響,地表溫度和空氣溫度是影響蒸發(fā)量的重要因子,4-2 m相關(guān)濕度梯度的影響次之,5 cm土壤含水量和4-1m空氣溫度差再次之,空氣相對(duì)濕度和不同層風(fēng)速對(duì)土壤蒸發(fā)量沒有明顯相關(guān)性[8]。在食品干燥領(lǐng)域,王相友、丁瑩等研究了紅外輻射與對(duì)流聯(lián)合干燥情況下,外在和內(nèi)在各種因素對(duì)物料脫水的影響,得到輻射強(qiáng)度是影響物料干燥指標(biāo)的最重要因素,輻射強(qiáng)度越大、輻射距離越近、物料厚度越小、物料的脫水速率就越大;物料初始含水率對(duì)干燥速率也有重要影響;對(duì)流介質(zhì)溫度變化,不會(huì)引起物料降水幅度、干燥速率的明顯變化;但對(duì)流速度對(duì)其有一定影響[9]。Nuriddinov等研究表明材料溫度和干燥速率與材料對(duì)輻射能的吸收、干燥室的空氣溫度和相對(duì)濕度有關(guān),輻射干燥刺激了干燥率的自我控制(selfcontrol)[10]。Sharma等研究單層洋蔥片降速干燥階段的干燥特性,發(fā)現(xiàn)干燥率受輻射能量、空氣溫度流速的顯著影響。當(dāng)溫度升高、流速增大、輻射增強(qiáng)時(shí),干燥速率提高,干燥時(shí)間明顯縮短[11],同時(shí),在紅外輻射能量和空氣溫度一定時(shí),提高空氣流速反而會(huì)增加干燥時(shí)間[12]。Hebbar等指出紅外和對(duì)流聯(lián)合干燥的相互增強(qiáng)效果導(dǎo)致蔬菜更高的傳質(zhì)率,水分蒸發(fā)時(shí)間比單純對(duì)流干燥縮短了48%[13]。H.Kocabiyik等人在一定紅外輻射照度下干燥薄荷葉,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速的提高有利于增加干燥速率[14]。A.I.M artynenk等人研究了影響人參干燥的物理和生理因素后指出,空氣溫度和根直徑對(duì)干燥率常數(shù)的影響顯著,而相對(duì)濕度影響微弱[15]。

鑒于建筑領(lǐng)域鮮有對(duì)材料蒸發(fā)相關(guān)規(guī)律的研究,選取加氣混凝土這類典型建筑多孔材料,運(yùn)用風(fēng)洞技術(shù),從影響其蒸發(fā)的外在環(huán)境因素和內(nèi)在因素著手,分析比較它們對(duì)材料蒸發(fā)換熱的作用大小,以期發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律性。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)在華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心熱氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是針對(duì)我國(guó)濕熱地區(qū)城市化進(jìn)程中熱島效應(yīng)加劇、城市能耗持續(xù)增長(zhǎng)等問題而專門構(gòu)建的,用來對(duì)多孔建筑材料和環(huán)境鋪裝材料的熱濕傳遞性質(zhì)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。系統(tǒng)采用全自動(dòng)電腦控制,通過對(duì)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射(即為環(huán)境4因素)相關(guān)模擬設(shè)備的調(diào)節(jié)控制,在風(fēng)洞內(nèi)部再現(xiàn)室外的氣候條件,從而為研究提供便利。

熱氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外環(huán)境4因素小時(shí)間步長(zhǎng)(m in)周期性的全自動(dòng)模擬與控制。其環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)(EMCS)的主要功能就是對(duì)風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境參數(shù)反饋數(shù)據(jù)的采集處理和對(duì)環(huán)境模擬設(shè)備的控制。其控制原理是：系統(tǒng)以PC機(jī)為核心,通過USB數(shù)據(jù)采集模塊把環(huán)境4參數(shù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理得到控制量,再經(jīng)過USB控制卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制風(fēng)洞內(nèi)各環(huán)境參量的變化。環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)控制精度見表1。

圖1 環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)各環(huán)境參數(shù)控制精度表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),根據(jù)各因素水平的選取,采用混合水平表L18(34×61)安排實(shí)驗(yàn)。詳見表2。為了避免實(shí)驗(yàn)因素外的其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,并避免實(shí)驗(yàn)受區(qū)組因素的影響,實(shí)驗(yàn)順序依照隨機(jī)化原則采用抽簽方式?jīng)Q定。

表2 正交試驗(yàn)因素水平一覽表

實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)均由專門軟件采集記錄,環(huán)境4因素的數(shù)據(jù)通過風(fēng)洞環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的自開發(fā)軟件在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄并顯示。試件蒸發(fā)量的測(cè)量用電子天平直接稱取放在其上的試件及支架重量,重量的減少即為蒸發(fā)量。電子天平的精度為0.01 g,其示值傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和顯示。

試件選取加氣混凝土砌塊,切割成邊長(zhǎng)為100 mm×100mm的3種試塊。試件上表面溫度用穩(wěn)定性好、靈敏度高且價(jià)格低廉的T型銅-康銅熱電偶采集,通過 DARW IN(Data Acquistion and Recording Window s)的輸入/輸出模塊傳送至DC-100主機(jī),再通過配套軟件將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)界面,并以MS-EXCEL文件格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。對(duì)于測(cè)溫?zé)犭娕悸袢敕椒ǎ涸谠嚰行膭澇錾罴s1 mm的淺溝,埋入熱電偶的溫度測(cè)量端,再用同種材料的粉末和AB膠的混合物填平測(cè)試表面。

試件放入實(shí)驗(yàn)段測(cè)試前依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)過一系列預(yù)處理過程,包括預(yù)烘干至恒重——側(cè)面刷防水漆及風(fēng)干——烘干——泡水至所需含水率——包塑料膜,以確保各試件狀態(tài)統(tǒng)一具有可比性以及僅在上表面進(jìn)行蒸發(fā)。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)前,一般需要有一段穩(wěn)定時(shí)間,待環(huán)境4參數(shù)均達(dá)到表1中控制精度要求并且天平及溫度輸出都穩(wěn)定時(shí)方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

含水建筑材料在一定的環(huán)境條件下,最初期的蒸發(fā)對(duì)環(huán)境的降溫效果最顯著,所以選取材料蒸發(fā)的前15 h數(shù)據(jù),研究材料在一定初始含水率范圍下,隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,逐時(shí)各因素(太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度和試件厚度)對(duì)蒸發(fā)換熱量的影響規(guī)律。正交試驗(yàn)結(jié)果表3所示。蒸發(fā)換熱量為材料蒸發(fā)量與蒸發(fā)潛熱之積,其中,蒸發(fā)潛熱L為：L=3.14×106-2.341×103Ts(Ts為試件表面溫度,單位為開爾文)測(cè)試各工況不同厚度試件的初始含水率(干基)為：50 mm 厚：42.79%～57.40%;100mm厚：50.43%～56.97%;150mm 厚：41.57% ～47.39%。

表3 加氣混凝土試件含水蒸發(fā)的正交試驗(yàn)結(jié)果

用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,在主效應(yīng)方差分析表中比較各因素的顯著性F檢驗(yàn)sig.值來判斷他們對(duì)蒸發(fā)換熱影響的顯著程度,sig.值＜0.05,表明在95%的把握下此因素對(duì)結(jié)果影響顯著;反之,此因素對(duì)結(jié)果有顯著影響的把握性不大或沒有顯著影響。再?gòu)母饕蛩夭煌缴险舭l(fā)換熱量平均值估計(jì)表中的F檢驗(yàn)sig.值可以看出此因素在哪個(gè)水平上對(duì)結(jié)果影響較大。將15 h分析結(jié)果按各因素來分別分析,得到如下各因素對(duì)蒸發(fā)換熱的影響規(guī)律。

2.1 溫度

如圖2,不同溫度的蒸發(fā)換熱量平均值隨時(shí)間推移而下降。在整個(gè)15 h的蒸發(fā)過程中,始終都是溫度2水平(30℃)的蒸發(fā)換熱量平均值最大,高溫3水平(35℃)卻一直較低,甚至低于低溫1水平(25℃)的蒸發(fā)換熱量平均值,且在蒸發(fā)的第3～第7 h里,2水平與3水平之間有顯著差異。這說明并非溫度越高,蒸發(fā)換熱就越強(qiáng)烈,有時(shí)溫度高,反而會(huì)抑制材料的蒸發(fā)換熱。借鑒土壤學(xué)及食品干燥的相關(guān)理論,認(rèn)為是太高的溫度會(huì)造成材料表面的溫度也高,使得材料表面水分蒸發(fā)過快而“干化”,從而不利于內(nèi)部水分向表面的進(jìn)一步遷移,不利于蒸發(fā);同時(shí)在同一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,在一定的溫度范圍內(nèi),溫度越高,材料的蒸發(fā)潛熱值就越小,因此蒸發(fā)換熱量就會(huì)降低。

圖2 溫度各水平逐時(shí)蒸發(fā)換熱量平均值曲線

2.2 相對(duì)濕度

如圖3所示,不同濕度下材料的蒸發(fā)換熱量平均值隨時(shí)間推移而減少。第1～9 h,中、低濕的蒸發(fā)換熱量平均值大;第10～15 h,中、高濕的蒸發(fā)換熱量平均值大,但在整個(gè)15 h的蒸發(fā)過程中,相對(duì)濕度3水平的差異均不顯著,這說明相對(duì)濕度在一般環(huán)境下變動(dòng)時(shí),其對(duì)材料蒸發(fā)換熱量平均值的影響較小。這也與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論相一致。

圖3 相對(duì)濕度各水平逐時(shí)蒸發(fā)換熱量平均值曲線

2.3 太陽(yáng)輻射

如圖4,1水平(沒有太陽(yáng)輻射)在整個(gè)15 h的蒸發(fā)過程中,蒸發(fā)換熱量平均值一直穩(wěn)定保持在較低狀態(tài),而2水平(400W/m2)的蒸發(fā)換熱量幾乎一直處于最高位置,且明顯高于1水平,在蒸發(fā)的前6個(gè)小時(shí)里,始終是1水平的2倍以上,之后差距略微縮小。3水平(800W/m2)變化尤為劇烈,在蒸發(fā)的第1 h,其蒸發(fā)換熱量平均值達(dá)到1水平的3倍之多,但從第2 h開始便迅速降低,到第12 h,兩者差異所剩無幾,之后便低于1水平,在第15 h,僅為1水平的0.8倍。

以上說明,首先,太陽(yáng)輻射對(duì)材料蒸發(fā)換熱的影響很顯著,沒有太陽(yáng)輻射時(shí),蒸發(fā)換熱量明顯小于有太陽(yáng)輻射的情況。其次,輻射量越大越利于材料的蒸發(fā)換熱這種說法只適合于材料蒸發(fā)的最初1～2 h里,之后便不再適用。究其原因,認(rèn)為是由于高輻射造成材料表層溫度過高蒸發(fā)過快而“干化”,從而阻礙內(nèi)部水分向表層的遷移,影響了蒸發(fā)的繼續(xù)進(jìn)行。正如土壤學(xué)指出,只要上面有1～2 mm的干土層,就能使蒸發(fā)率顯著降低。這與上文溫度分析的道理類似,只是輻射對(duì)材料表面加熱升溫的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度的熱傳導(dǎo)作用,故輻射對(duì)材料蒸發(fā)換熱的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度,此結(jié)論與食品紅外干燥的研究亦有相通性[9]。

圖4 太陽(yáng)輻射各水平逐時(shí)蒸發(fā)換熱量平均值曲線

2.4 風(fēng)速

從圖5中可以看出,不同風(fēng)速下材料的蒸發(fā)換熱量平均值隨時(shí)間推移而減少。3水平風(fēng)速(1.5 m/s)的材料蒸發(fā)換熱量平均值幾乎一直居于首位,且始終保持與低風(fēng)速1水平(0.5 m/s)的顯著差異。4水平(2.0m/s)和6水平(3.0m/s)風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)換熱的影響不如其他水平那樣穩(wěn)定,二者僅在最初幾小時(shí)對(duì)蒸發(fā)換熱有較為突出效果,之后便明顯減弱,甚至對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)換熱量平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他水平,尤以6水平最甚,而其他水平的蒸發(fā)換熱量平均值隨著時(shí)間推移均表現(xiàn)為較穩(wěn)步下降。具體來看,在蒸發(fā)開始的第1 h,風(fēng)速最大,蒸發(fā)換熱量平均值也最大,但不同風(fēng)速對(duì)材料蒸發(fā)換熱的影響并不顯著。從第2 h開始,均為3水平(1.5 m/s)對(duì)蒸發(fā)換熱的影響最大,其次是5水平(2.5 m/s),且最高風(fēng)速6水平(3.0m/s)的蒸發(fā)換熱量平均值與2水平(1.0 m/s)相差無幾,甚至低于2水平的值,并從第4 h開始幾乎等同于或小于1水平(0.5 m/s)的值。第12～第15 h,所有不同風(fēng)速對(duì)材料蒸發(fā)換熱量的影響又變得不再顯著起來。

圖5 風(fēng)速各水平逐時(shí)蒸發(fā)換熱量平均值曲線

可見,較高風(fēng)速有利于蒸發(fā)換熱,但并非單純的風(fēng)速越高,材料的蒸發(fā)換熱量就越大。風(fēng)速過大對(duì)材料的蒸發(fā)換熱也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.5 試件厚度

從圖6中可以看出,環(huán)境4因素各水平在不同試件厚度下的總體變化規(guī)律：

圖6 試件厚度各水平逐時(shí)蒸發(fā)換熱量平均值曲線

2水平(100 mm)對(duì)材料蒸發(fā)換熱的影響最顯著,1水平(50mm)對(duì)其影響的變化最為劇烈,3水平(150mm)卻最為平穩(wěn)。具體來說,2水平的蒸發(fā)換熱量平均值總居于首位,在蒸發(fā)的第1 h,其值略大于1水平而兩者均大過3水平。從第2 h開始,3水平與2水平的差距在逐漸縮小,而1水平與2水平的差距卻明顯拉大直至第5 h開始保持此差值直到結(jié)束。2水平的蒸發(fā)換熱量平均值與1水平除開始2 h外均有顯著甚至極顯著差異。

總之,材料厚度薄,蒸發(fā)換熱量勢(shì)必很小;而厚度過厚在材料蒸發(fā)的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),對(duì)其蒸發(fā)換熱的影響也未必最顯著。在食品加工領(lǐng)域,非穩(wěn)態(tài)干燥動(dòng)力學(xué)方程以及固體內(nèi)水分?jǐn)U散理論均表明：材料厚度與干燥速率成相反的比例關(guān)系。大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究也得到：材料吸收的能量隨著材料厚度的增厚而降低,其厚度影響著材料的降水幅度、干燥速率等指標(biāo)。雖然建筑材料與用于干燥的食品加工材料性質(zhì)有所差異,但鑒于其蒸發(fā)主要發(fā)生在材料表面較淺的區(qū)域,筆者認(rèn)為,食品干燥理論對(duì)此還是有一定借鑒意義的。

3 結(jié)語(yǔ)

1)從對(duì)蒸發(fā)換熱影響的顯著性和持久性來衡量,太陽(yáng)輻射對(duì)其影響最大,緊接著是試件厚度,其次是風(fēng)速的影響,最后體現(xiàn)出的是溫度的影響,而相對(duì)濕度大小對(duì)材料蒸發(fā)換熱量平均值的影響較小。溫度和相對(duì)濕度的交互作用不足以對(duì)蒸發(fā)換熱產(chǎn)生明顯顯著影響。

2)分析得到,太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、溫度及試件厚度對(duì)材料蒸發(fā)換熱量影響最顯著的水平分別為：400 W/m2、1.5m/s、30 ℃、100mm 。

3)太陽(yáng)輻射對(duì)材料蒸發(fā)換熱的影響很顯著,而輻射量越大對(duì)材料的蒸發(fā)換熱影響越顯著僅在蒸發(fā)的最初2 h適用,隨后起主導(dǎo)作用的均為中檔輻射量(400W/m2);且并非溫度越高,蒸發(fā)換熱量平均值就越大;分析兩者原因,認(rèn)為是過高的輻射和過高的溫度導(dǎo)致了材料表層溫度過高,表面蒸發(fā)過快而“干化”,阻礙材料內(nèi)部水分向表層的遷移而造成。

4)過高的風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)換熱的有利影響僅在最初幾小時(shí)較為顯著,之后便明顯減弱,甚至對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)換熱量平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他水平,可見,風(fēng)速過大對(duì)材料的蒸發(fā)換熱也同樣會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

5)100 mm厚加氣混凝土試件的蒸發(fā)換熱量平均值基本始終保持為最大,過厚的材料反而不利于其內(nèi)部水分的蒸發(fā)。

6)下一步研究有必要將材料不同初始含水率的影響考慮在內(nèi)。

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