羅羽， 謝東*， 周曦， 陳國杰， 肖佩林， 王漢青，4

(1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院， 衡陽 421001； 2.南華大學(xué)建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實驗室， 衡陽 421001； 3.南華大學(xué)裝配式建筑節(jié)能技術(shù)湖南省重點實驗室， 衡陽 421001； 4.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410000)

近年來，隨著節(jié)能需求的增長，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能越來越受到關(guān)注。研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞規(guī)律及影響對有利于準(zhǔn)確計算空調(diào)的負(fù)荷變化，降低能量損耗，提升空氣品質(zhì)[1]。搭建能夠準(zhǔn)確控制環(huán)境、精確測量熱濕參數(shù)的實驗臺開展可靠的實驗研究對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕性能準(zhǔn)確評價以及模型的發(fā)展與驗證至關(guān)重要。

諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的建材熱濕參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合特性實驗研究。Liu等[2]通過測量材料有效導(dǎo)熱系數(shù)，認(rèn)為有效導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)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(zhì)的測試方法，表明濕物理性質(zhì)的測試還存在明顯缺陷，現(xiàn)階段中國亟待建立建筑材料熱濕物理性質(zhì)參數(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)，獲得可靠、完備的熱濕參數(shù)數(shù)據(jù)庫。吳王良等[4]搭建可控式熱濕耦合試驗臺實現(xiàn)了燒結(jié)頁巖空心磚兩側(cè)溫濕度恒定但不同的試驗條件，開展了一系列空心磚內(nèi)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(cè)邊界條件，研究了墻體中部、表面的溫度變化以及墻內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(zhǔn)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(jié)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(yīng)有所不同，此外，還有一些學(xué)者根據(jù)濕源不同，以及影響濕熱傳遞的不同因素做了相關(guān)研究?？渍褴瞇8]聚焦研究潮濕地區(qū)磚構(gòu)建筑遺產(chǎn)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(shè)置降雨裝置，研究風(fēng)驅(qū)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(fēng)量對室內(nèi)及墻體溫濕度變化和總負(fù)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(nèi)部溫度和相對濕度變化。

簡而言之，目前關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞的實驗研究還存在很大的發(fā)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(hù)結(jié)構(gòu)熱、濕傳遞的影響研究，還缺乏圍護(hù)結(jié)構(gòu)在高溫高濕等特殊環(huán)境中熱濕耦合傳遞的實驗研究[11]。利用人工環(huán)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(fā)展限制，能夠精確調(diào)節(jié)動態(tài)變化溫濕度環(huán)境的設(shè)備還有待發(fā)展。實際氣候下開展的墻體實驗不能排除太陽輻射和風(fēng)速等其他偶然因素對熱濕耦合傳遞的影響，可靠的環(huán)境艙實驗可以更準(zhǔn)確地分析熱傳遞與濕傳遞的互相影響及規(guī)律。

現(xiàn)通過搭建可精確控制溫濕度模擬環(huán)境的大型人工環(huán)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(huán)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(huán)境，控制室外溫濕度周期變化及室內(nèi)溫濕度恒定，測試墻體內(nèi)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(guī)律及影響。

1 環(huán)境艙墻體測試實驗臺的構(gòu)建

環(huán)境艙的系統(tǒng)原理圖見圖1。南華大學(xué)大型人工環(huán)境艙實驗臺由室內(nèi)艙、室外艙兩個測試房間以及設(shè)備控制室和設(shè)備機(jī)房組成，包括溫濕度控制部件、數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集部件以及輔助設(shè)備三大部分。

1為加濕盤管；2為加熱器；3為風(fēng)機(jī)；4為蒸發(fā)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(fēng)機(jī)；9為實驗溫 度熱電偶及相對濕度傳感器；10為監(jiān)視器；11為控制計算機(jī)； 12為采集柜；13為控制柜；14為動力柜；15為水冷冷水機(jī)組； 16為壓縮機(jī)，包括常溫壓縮機(jī)和低溫壓縮機(jī)圖1 環(huán)境艙系統(tǒng)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(fēng)機(jī)、蒸發(fā)盤管、取樣風(fēng)機(jī)、水冷冷水機(jī)組、常溫壓縮機(jī)及低溫壓縮機(jī)等設(shè)備組成。環(huán)境艙可以利用該部分部件模擬自然環(huán)境、極端環(huán)境，提供測試墻體試件所需的溫度、濕度、風(fēng)吹等。室內(nèi)艙可調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的氣候環(huán)境范圍為溫度[(-30～50)±0.3]℃，相對濕度[(20～90)±5]%。室外艙環(huán)境溫度和相對濕度可參照實際氣候變化情況按正弦函數(shù)曲線進(jìn)行變化，動態(tài)精確連續(xù)自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)定的控制環(huán)境。

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集部件

監(jiān)測采集部件由傳感器過線箱、控制計算機(jī)、采集柜組成。設(shè)備的自動調(diào)節(jié)是在測試軟件上實現(xiàn)PID表的操作，主要有設(shè)定值輸入修改、正反作用設(shè)定、儀表偏差設(shè)定、百分比輸出的實時調(diào)整等功能。由此實現(xiàn)動態(tài)精確連續(xù)自動調(diào)節(jié)工況條件，具有直觀性和可靠性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器、傳感器構(gòu)成。測量值由計算機(jī)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理并存檔，在計算機(jī)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(jié)果和測試數(shù)據(jù)。

1.3 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備包括可卸載保溫板、監(jiān)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?？刂乒窨捎糜谑謩诱{(diào)節(jié)溫濕度設(shè)定值。動力柜提供給各設(shè)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(huán)境艙可以長期穩(wěn)定控制墻體兩側(cè)氣候室，通過布置的溫濕度測點監(jiān)測并記錄墻體隨環(huán)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱濕耦合傳遞規(guī)律及影響。

2 實驗方案

2.1 實驗墻體結(jié)構(gòu)

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(zhì)節(jié)能材料，是以粉煤灰為核心原料，以硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料為主要原料，具有質(zhì)量輕、隔熱性能高、強(qiáng)度參數(shù)好等特點，目前在建筑行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用前景[13]，此外加氣混凝土的孔隙率較大，孔隙內(nèi)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(huán)境的熱量和水分交換，并確保在測試墻壁中進(jìn)行一維的熱量和質(zhì)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(nèi)艙之間，見圖1中編號6。

圖2 墻體結(jié)構(gòu)及測點布置Fig.2 Wall structure and layout of measuring points

2.2 測點布置及數(shù)據(jù)采集

本試驗數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)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(huán)境中均可以維持較好的穩(wěn)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(yù)埋在墻體內(nèi)部。測點位于墻體中部距離地面500 mm高處，垂直墻面向內(nèi)分布5個測點，分別位于距離內(nèi)墻表面0、20、120、220、240 mm處，依次對應(yīng)著內(nèi)墻表面、內(nèi)墻側(cè)水泥砂漿與加氣混凝土交界面、加氣混凝土正中間、外墻側(cè)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(huán)境艙的接線箱上，見圖1編號9。經(jīng)過采集柜連接到計算機(jī)軟件上顯示，可以隨時監(jiān)控和連續(xù)記錄各測點的溫濕度值?？勺詣釉O(shè)置記錄數(shù)據(jù)的時間間隔，本實驗設(shè)置每間隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，每30個值取平均值記錄并分析。實驗過程中還連續(xù)記錄了室內(nèi)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(huán)境艙溫濕度設(shè)置見表1。其中A組室外艙環(huán)境參數(shù)根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)夏季的氣候特征來設(shè)置，夏熱冬冷地區(qū)夏季存在高溫的特點；B組室外艙環(huán)境參數(shù)根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)冬季的氣候特征來設(shè)置，夏熱冬冷地區(qū)冬季存在高濕的特點；C組室外艙環(huán)境參數(shù)則是根據(jù)南海地區(qū)的氣候特征來設(shè)置，南海地區(qū)被認(rèn)為是我國極端熱濕氣候的主要區(qū)域[12]，存在高溫、高濕的氣候特點，建筑熱工分區(qū)中南海屬于夏熱冬暖地區(qū)，但實際的氣候特征與之相差很大[14]，南海地區(qū)現(xiàn)階段熱工分區(qū)及負(fù)荷計算的規(guī)范不能滿足實際的應(yīng)用情況，該地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞特性還缺乏研究。

表1 各工況環(huán)境艙溫濕度設(shè)置

實驗過程中室內(nèi)艙的溫度和相對濕度根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中的室內(nèi)計算參數(shù)值設(shè)置，并保持恒定不變。室外艙分別參照各地區(qū)氣候特征的溫度和相對濕度設(shè)置并隨正弦函數(shù)曲線周期性變化，周期為24 h。其中溫度最高值的時刻對應(yīng)的相對濕度為最低值，如A組中室外艙內(nèi)溫度為38 ℃時，相對濕度為45%。環(huán)境艙內(nèi)采用上送側(cè)回的送風(fēng)形式，根據(jù)計算機(jī)軟件可觀察到空氣風(fēng)速的分布云圖和測試值，均反映艙內(nèi)氣流組織均勻和低氣流。實驗墻體在環(huán)境艙內(nèi)建造和澆水養(yǎng)護(hù)3 d后開始測試并記錄數(shù)據(jù)，每組工況持續(xù)一周。

3 結(jié)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(shè)定值正弦函數(shù)曲線基本吻合，溫度可以根據(jù)設(shè)定值得到精準(zhǔn)的控制。相對濕度的精準(zhǔn)控制對設(shè)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(shè)定正弦函數(shù)曲線不完全匹配，但依舊滿足實際室外周期性變化的規(guī)律，相對濕度的控制精確性也在±3%以內(nèi)，可以認(rèn)為環(huán)境艙對于室外艙環(huán)境的控制符合實驗需求對應(yīng)氣候下的周期性變化特征。

3.1 墻體內(nèi)測點的溫度變化

其中A組和C組在實驗開始前室內(nèi)艙和室外艙均處于實際的外界環(huán)境條件，但由于B組溫度與外界溫差過大，提前開啟了環(huán)境艙溫度控制的預(yù)實驗，因此B組實驗正式記錄數(shù)據(jù)前室內(nèi)艙和室外艙已達(dá)到目標(biāo)環(huán)境溫度一段時間。

圖3 各組工況墻體內(nèi)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(nèi)部測點的溫度分布及隨時間變化情況，圖3(a)對應(yīng)A組工況，圖3(b)對應(yīng)B組工況，圖3(c)對應(yīng)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(xiàn)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(nèi)部由內(nèi)到外的測點溫度到達(dá)峰值時刻依次后移，這是傳熱存在滯后的現(xiàn)象。

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

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

根據(jù)圖4分析各組工況室外艙溫度實測值及墻內(nèi)各溫度測點到達(dá)峰值的時間，結(jié)論見表2?？偟膩砜矗瑴囟容^高的夏季傳熱滯后現(xiàn)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(dá)到時刻

A組工況的室內(nèi)外溫差為4～12 ℃， B組工況的室內(nèi)外溫差為6～12 ℃，C組工況的室內(nèi)外溫差為2～6 ℃。一個完整周期中，A、B、C各組距離室內(nèi)20 mm處達(dá)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(rèn)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(dǎo)熱系數(shù)的大小，墻體材料含濕量越高，導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)測點的相對濕度變化

圖5描述了三組工況下實驗墻體內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)束時刻，實驗結(jié)束后墻體內(nèi)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(nèi)部各點測得的相對濕度初始值與終值之差。

結(jié)合圖6和表3分析，各工況下不同時間點墻體內(nèi)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(nèi)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(nèi)表面220 mm處相對濕度降低速率明顯大于距離內(nèi)表面20、120 mm 兩處。A組距離內(nèi)表面20 mm處相對濕度

表3 墻內(nèi)各測點相對濕度變化值

圖6 各組工況不同時間點墻體內(nèi)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(nèi)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(nèi)表面220 mm處相對濕度的降低值約為距離內(nèi)表面20 mm處的5倍，此時兩側(cè)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(nèi)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(cè)表面較遠(yuǎn)，傳濕所需時間更長，另一方面說明墻體內(nèi)側(cè)濕氣往室內(nèi)和室外兩側(cè)傳遞，但濕傳遞的主要方向為墻體中間至墻體兩側(cè)。該工況室外側(cè)溫度較高，相對濕度較低且墻體兩側(cè)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(nèi)部3個點相對濕度呈現(xiàn)均勻下降的特征。距離內(nèi)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(nèi)墻220 mm處相對濕度降低值約為A組該值的一半。距離內(nèi)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(cè)溫度較低，墻體兩側(cè)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(yuǎn)小于傳熱的特點。

由圖6(c)所示，C組工況下，墻體內(nèi)相對濕度依然緩慢降低，距離內(nèi)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(cè)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(huán)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(jù)環(huán)境艙墻體實驗研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)部的含濕量主要由中間向兩側(cè)遷移，濕傳遞速度很慢，根據(jù)各溫濕度測點受室外環(huán)境影響的程度分析，說明濕傳遞速率遠(yuǎn)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(yuǎn)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(qū)域，其熱濕耦合傳遞作用更加明顯。

4 結(jié)論

本文介紹了可精確控制溫濕度模擬環(huán)境的大型人工環(huán)境艙墻體測試實驗平臺的搭建，并利用環(huán)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(nèi)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(jìn)行了實驗研究，并分析了其熱濕傳遞規(guī)律，為應(yīng)用于不同氣候下多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型的模擬結(jié)果的合理性提供了驗證依據(jù)。

實驗結(jié)果表明，新建圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度傳遞速率遠(yuǎn)低于熱傳遞速率，實驗期間測試墻體內(nèi)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%?？梢哉f明熱傳遞對濕傳遞促進(jìn)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(huán)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(xù)開展各種墻體實驗以及熱濕耦合傳遞模型的開發(fā)與模擬的驗證工作打下基礎(chǔ)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕耦合傳遞是一個復(fù)雜的過程，實際情況中還有太陽輻射、降雨以及風(fēng)速影響墻體的熱濕傳遞。為了能夠更深入地研究其內(nèi)在規(guī)律，還需要研究應(yīng)用于不同環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)的不同建材的熱濕參數(shù)，針對性的開展具有實際應(yīng)用意義的墻體實驗，開發(fā)更精準(zhǔn)的溫濕度測量儀器，獲取可靠有價值的數(shù)據(jù)，為熱濕耦合模型相關(guān)理論的發(fā)展提供有效的驗證。