萬 航 徐新華 嚴 天

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墻體材料理論濕滲透模型與應用分析

萬 航 徐新華 嚴 天

（華中科技大學環(huán)境科學與工程學院 武漢 430074）

在室內外環(huán)境的影響下，墻體內存在熱濕傳遞。建立了單層墻體材料（或調濕材料）理論濕滲透模型并對模型進行了求解。計算出了常用不同建筑材料在不同濕周期作用下的理論濕滲透厚度。計算結果表明理論濕滲透厚度隨環(huán)境濕變化周期增大而增大，同時不同建筑材料的理論濕滲透厚度也差異很大。在計算墻體與室內濕交換的模型中，等效濕滲透模型應用較廣泛。但該模型基于材料不被穿透的假設獲得的，理論濕滲透厚度可用來檢查等效濕滲透模型的有效性。該理論厚度也可作為調濕材料厚度設計時的參考。

理論濕滲透厚度；等效濕滲透厚度；調濕材料

0 引言

建筑圍護結構通常存在溫度和濕度梯度，其熱濕表現對空調負荷有不可忽視的影響[1,2]，許多學者進行了很多研究。Moon等[3]將熱濕模型和純導熱模型模擬結果進行對比，結果發(fā)現忽略濕傳遞會低估制冷與制熱能耗，同時墻體的吸濕性作用會顯著降低室內相對濕度的波動，維持室內濕度的穩(wěn)定。墻體的這種濕緩存作用促使人們將調試材料應用于空調房間。研究結果表明，使用了調濕材料的空調房間的供熱和制冷能耗可減少5%-30%[4,5]。

調濕材料能改善熱舒適性，節(jié)約能源，延長圍護結構的壽命，但墻體的濕傳遞受室內外環(huán)境等多種因素影響，過程復雜，導致其對空調負荷的影響難以定量化[6]。對于墻體外表面的濕過程，部分學者進行了試驗及數值模擬研究。Labat等人[7]對6種不同的木結構墻體在實際氣候條件下的熱濕過程進行了測量與分析，結果表明對于由吸濕性較差的建筑材料組成的墻體，室外氣候通過墻體對室內的濕度影響可以忽略不計。Steeman等[8]模擬對比分析研究指出，在計算空調負荷時可以將墻體外表面視作不可滲透。

由于圍護結構及空調設備等的作用，室內環(huán)境相較室外更加穩(wěn)定，室內相對濕度變化范圍較小。文獻[9]研究表明無論是空調房間還是非空調房間，絕大多數時間的室內相對濕度基本在40%-70%之間，而人體一般在濕度小于60％時才感到舒適[10]。以全年范圍來看，室內相對濕度呈季節(jié)性變化，短時間內，可看作以日周期為變化。對于空調房間，日周期作用占主導地位。作為房間的調濕材料或者作為墻體內表面能起到濕度調節(jié)功能的建筑材料，在進行設計時應充分考慮材料的厚度。本文建立了墻體材料的理論濕滲透模型，并研究分析在不同周期性條件下墻體材料濕滲透厚度，并進一步給出了相關應用分析。

1 理論濕滲透模型

建筑材料的濕傳遞研究中有用含水量作為驅動勢的[11-13]，也有僅僅考慮水蒸氣的擴散傳遞而忽略液態(tài)水的[14,15]。在材料的含水率低于其固有含水率，即不存在多孔體滲透時，多孔材料中的水分傳導以水蒸氣擴散占絕對主導地位，可以忽略液態(tài)擴散運動[11,16]。在墻體材料濕滲透模擬過程中，溫度對材料的濕物性參數影響較小，可以忽略[17]。當相對濕度不超過90%時，水蒸氣流占主導地位。因此濕驅動勢可以選擇水蒸氣分壓力，擴散系數可以歸一化為一個綜合系數[18]。

根據以上分析，對室內空氣與墻體內表面的吸放濕過程作如下假設：室內溫度波動較小，墻體視作等溫；室內濕度變化范圍較小（30%～80%），墻體含濕量在索態(tài)之下，蒸汽擴散占主導地位，忽略液態(tài)水傳導；墻體材料濕物性參數為定值，如濕擴散系數，濕容，墻體表面質交換系數等；水蒸氣分壓力作為濕的驅動力；濕傳遞為一維傳濕?；谝陨霞僭O，墻體內表面吸放濕的控制方程如式（1），空氣中水蒸氣擴散系數如式（2）。水蒸氣分壓不易直接測量，可用水蒸氣濃度表示水蒸氣分壓，如式（3）及式（4）。

（2）

（3）

建筑圍護結構墻體濕傳遞方程的初始條件及邊界條件如式（5）及式（6）。

（6）

式中：=h/δ，c()=+c*sin()；為角頻率，s-1；h為墻體表面濕交換系數，kg/(Pa?s?m2)；c為水蒸氣濃度變化幅值，kg/m3；為水蒸氣初始濃度，kg/m3；c為墻體表面水蒸氣濃度，kg/m3。

根據初始條件及邊界條件對式（1）求解，可獲得墻體內或墻體材料內任意一點的濕分布，如式（7）所示。理論濕滲透厚度（Theoretical moist penetration depth，TMPD）可以定義為其值為某點的相對濕度變化幅值為材料表面相對濕度變化幅值1%時，此點離材料表面的距離[19]。式（7）簡化為式（8），并進一步求出理論濕滲透厚度為式（9）。

（8）

（9）

圖1 周期作用下半無限大墻體材料內水蒸汽濃度分布圖

由式（9）可以看出，理論濕滲透厚度隨環(huán)境濕度變化周期增長而增大，季節(jié)性濕變化的理論濕滲透厚度遠大于日濕變化的理論濕滲透厚度。當室內濕度變化周期一定時，墻體材料理論濕滲透厚度只取決于材料的導濕系數。圖1為室內濕度24h周期變化條件下半無限大墻體材料內不同時刻水蒸汽濃度分布情況。由圖可知，墻體表面水蒸氣濃度振幅小于室內水蒸氣濃度振幅，濕度波在墻體內的衰減較快，濕交換主要發(fā)生在材料表面附近的薄層內。

2 不同材料的理論滲透厚度

許多研究者對常用建筑材料的熱濕特性參數進行了大量的測試[20-22]。本文選取幾種常用建筑材料[20,22]進行分析。這些材料分別為加氣混凝土、多孔混凝土、普通混凝土、石膏板1、石膏板2、石膏板3、普通磚、石灰石英磚、高密板1、高密板2、普通木板、巴沙木、松木、EPS板、XPS板。其濕物性參數如表1所示。本文對這些材料在表面含濕量變化周期分別為1小時，24小時，1周，1月時的理論濕滲透厚度進行計算，如表1。室內濕度變化周期為1個月時墻體材料理論濕滲透厚度是室內濕變化周期約為1天時的5.5倍，對于常用建筑圍護結構材料如普通磚，EPS板，其月理論濕滲透厚度分別達到22厘米和38厘米，在更長周期如季節(jié)性濕變化條件下，墻體將會被濕穿透。

表1 墻體材料濕物性參數及理論濕滲透厚度

圖2 不同材料日周期理論濕滲透厚度

當室內濕度變化周期為24小時時，各材料濕滲透厚度如圖2所示。不同材料之間理論濕滲透厚度相差很大，同種類別不同形式的材料間相差也較大，這是由不同材料濕物性參數不同造成。石膏的理論濕滲透厚度較大，這是由于石膏的濕擴散系數較大，易于水蒸氣在材料中的擴散，同時石膏的體積濕容較小，水蒸氣在擴散過程中不易被吸收。與此相反，木頭的體積濕容較大，同時濕擴散系數較小，導致木頭的理論濕滲透厚度較小。聚苯乙烯理論濕滲透厚度較大是由于其密度較小導致導濕系數較大，較易被濕滲透，作為保溫材料易產生結露與霉變[23]。

3 實際應用分析

保溫材料越厚其保溫隔熱性能越好，同時成本也增加較多，不同氣候區(qū)不同材料有不同的最佳保溫厚度[24]。與保溫材料類似，具有調節(jié)性能的建筑材料與調濕材料也應有最佳調濕厚度。根據節(jié)分析，木材的理論濕滲透厚度較小，濕容大，有一定的調濕作用。石膏的理論滲透厚度較大，濕容適中，濕緩存量大，濕擴散系數較大，吸放濕反應迅速，適合作為調濕材料。

80年代末，Cunningham[25]和Kerestecioglu[26]提出了等效濕滲透模型（EMPD-model）。該模型假設多孔材料與周圍空氣的濕交換僅發(fā)生在表面的薄層且該薄層的濕分布是均勻的。該薄層的厚度即為等效濕滲透厚度，該定義是基于半無限大墻體材料周圍空氣相對濕度為日周期變化時進行計算的，如式（10）。

墻體材料的理論濕滲透厚度是等效濕滲透厚度的4.61倍。在考慮到等效濕滲透厚度模型使用時，材料的實際厚度應大于同周期下的理論滲透厚度，或者是等效濕滲透厚度的4.61倍。對于一個月一年的外界空氣濕變化，墻體材料的理論濕滲透厚度都較大，以普通磚和石膏板為例，普通磚季（90天）理論濕滲透厚度約為3.64米，一般的實際厚度為0.24米、0.37米和0.49米，石膏板的月濕滲透厚度為0.96米，一般的實際厚度為0.02米和0.03米，普通磚在季周期、石膏板在月周期作用下已被濕穿透。按照等效濕滲透模型的形式采用一個月或一季度的周期進行計算長期等效濕滲透厚度[27]，此時該模型并不適用。對于日周期也是這樣，當日周期濕變化穿透了墻體材料時，等效濕滲透模型也不適用。

作為墻體調濕材料的厚度選型，應用日周期為主，同時也應兼顧較長周期的情況，比如非空調房間的季節(jié)性室內濕度調節(jié)。

4 結論

本文分析了建筑墻體材料所處的熱濕環(huán)境，建立了墻體材料理論濕滲透模型，求解了在周期濕作用條件下不同時刻墻體材料內的濕分布，并給出了常用材料在不同周期下的理論濕滲透厚度。結果表明，不同墻體材料的理論濕滲透厚度相差較大，同一材料理論濕滲透厚度隨周圍空氣濕變化周期增長而增大，月濕滲透厚度一般為日濕滲透厚度的5.5倍，在日周期下濕交換僅發(fā)生在材料表面薄層內，但在更長周期情況下墻體可能被濕穿透。墻體材料的理論濕滲透厚度是等效濕滲透厚度的4.61倍，如果墻體材料的實際厚度小于理論濕滲透厚度，即墻體被濕穿透，此時，以表面薄層濕均勻分布代替整個墻體材料濕分布的等效濕滲透模型便不再適用，等效濕滲透厚度需根據墻體材料實際厚度重新計算。墻體材料理論濕滲透厚度不僅可以用來檢測等效濕滲透模型的適用性，同時可以作為調濕材料經濟性厚度的參考，因此在建筑設計與節(jié)能應用中提供重要參考。

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Theoretical Moisture Penetration Depth Model of Building Wall Material and its Application Analysis

Wan Hang Xu Xinhua Yan Tian

( School of Environment Science & Engineering, Huazhong University of Science andTechnology, Wuhan, 430074 )

Thermal and moisture transfer exists in building wall due to the disturbances of indoor environment and ambient. This paper present the theoretical moisture penetration model (TMPD-model) of a single-layer building material and its solution. The theoretical moisture penetration depths are presented for various conventional building materials under different moisture periods. The results show that the theoretical moisture penetration depth increases with the moisture period, and the theoretical moisture penetration depths of various materials differ significantly. In calculation of moisture transfer between the material and the indoor air, the effective moisture penetration depth (EMPD) model is usually used. However, the EMPDmodel is based on the assumption that the moisture does not penetrate through the material layers. The theoretical moisture penetration depth can be used to check the effectiveness of the EMPDmodel. The theoretical moisture penetration depth can also be used for material design reference.

Theoretical moisture penetration depth; Effective moisture penetration depth; Humidity control material

1671-6612（2017）03-240-05

TU86

A

國家自然科學基金（51178201）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（2015QN116）

萬 航（1992-），男，博士研究生，E-mail：wanhang111@hotmail.com

徐新華（1972-），男，教授，E-mail：bexhxu@hust.edu.cn

2016-04-13