室内温湿度对组合墙体内部湿积累影响分析

李炳华

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



室内温湿度对组合墙体内部湿积累影响分析

李炳华

(福州市建筑设计院福建福州350011)

以福州地区室外气候数据为边界，利用一维热湿传递方程对加气混凝土为主体结构的组合墙体内部湿积累进行计算分析。室外在较低温度条件下，水泥砂浆内可能出现短期湿积累。加气混凝土良好透湿能力，使得自身保持相对稳定的湿工况。当室内温度降低到一定程度时，室外湿度在较大的温度梯度作用下，在局部短时间内引起内侧墙体湿积累量突然增加。

热湿传递；湿积累；组合墙体

0　引言

建筑外墙结构一般由主体、饰面层、保温层等多层组合，其中建筑材料一般包含砖墙、加气混凝土、水泥砂浆、石灰等。在热湿传递过程中，建筑墙体内湿积累，可能引发墙体内部结露及霉菌等微生物的生长，一方面导致室内空气品质恶化，危害人体的健康，另一方引起墙体材料热工性能改变，耗热量增大和围护结构损坏。在室外高温高湿气候环境及室内空调工况下，墙体热湿耦合迁移对墙体内部湿积累及围护结构的热工性能有十分重要的影响。

为了求解墙体内部温度和湿度的分布，国内外许多学者提出各种墙体热湿传递的数值模型。Philip和DeVries 模型[1]，采用材料含湿量和温度为驱动势，由于材料吸湿性能差异以及不同材料在各层之间的交际面不连续，难以准确求解；Luikov模型[2]，提出迁移势的概念，比较全面地描述了墙体内部热湿迁移过程，但模型中涉及一些物性参数难以确定且方程求解困难，影响了该模型的广泛应用。Künzel[3]等以毛细压力和相对湿度代替材料含湿量做为驱动势，推导出相对有效的计算模型，并能够比较准确的求解方程。陈友明等[4]以墙体中空气含湿率及温度为驱动势，推导出多层墙体一维瞬态热湿耦合传递方程。

本文将根据Künzel提出的方法，建立一维热湿传递耦合方程[3]，计算分析墙体内部湿积累与室内外环境变化的关系。

1　墙体热湿传递模型分析

1.1基本计算方程

一维热湿输运方程：

(1)

(2)

式中，λ为建材导热系数，W/m·K；Dφ为建材液相传导系数，kg/m·s；δp为建材水蒸气渗透性，kg/m·s·Pa；hv为水蒸发焓，J/kg；psat为饱和水汽压，Pa；ϑ为温度，℃；φ为相对湿度，%。

1.2微分方程的离散化

计算方程的离散采用有限元法：

(3)

式中，Φ为温度或相对湿度的标量；c为在i，j位置，体积元素的存储容量；Γxe，Γxw，Γyn，Γys为东西南北边界的传递系数；S为体积元素i，j的源或汇；Δt为时间步长；Δx，Δy为体积元素i，j在x，y方向的尺寸；ΔXe，ΔXw，ΔYn，ΔYs为体积元素i，j的中心位置到东西南北方向相连的中点的距离；i为体积元素在x方向的索引；j为体积元素在 y向的索引；n为时间增量的索引。

1.3湿积累函数

材料的吸湿性可以用含水率表示。不同材料的吸湿性与环境的温湿度变化有很大的关联。在多孔吸湿材料中，孔隙表面系统从空气中不断的吸收水分子，直至达到与周围空气湿度相平衡的含水率。Krus等[5-6]通过模拟得出不同建筑材料的湿积累函数，并运用实验方法近似拟合得到湿积累方程：

(4)

式中，wf为自由饱和度，kg/m3；φ为相对湿度，%；b为近似因子。

2　组合墙体的定义

在一维计算条件下，本文主要研究分析加气混凝土为主体结构的墙体内部热湿特性。如图1所示，建立组合墙体结构从外到内的顺序依次为：20mm厚的水泥砂浆，250mm厚的加气混凝土，20mm厚的石灰。在墙体的内外侧以及各层材料的交界面设置温湿度监测点。各种墙体材料物性参数包括：密度、孔隙率、比热容、导热系数、扩散阻力因子等基本参数，如表1所示。

各层组合墙体交界面通过节点平衡法建立方程，并对一维热湿传递耦合方程采用有限元法，运用WUFI[7]建筑围护结构热湿传递软件进行求解。

表1　材料物性参数

3　室内外边界条件

福州地区属于夏热冬暖气候区域，夏季炎热，且空气湿度大。模拟计算所需的室内外边界条件，其中室外温湿度条件按照以实测气象环境为基础的中国标准年气象数据CSWD[8]。如图2和图3所示，为福州市全年室外温度、湿度随时间变化曲线。本文拟对室内空调工况下，温度和湿度的变化对组合墙体内部湿积累的影响分析，室内分别在3种温湿度设计工况下进行：工况1，温度25℃，湿度60%；工况2，温度25℃，湿度70%；工况3，温度22℃，湿度70%。

4　计算结果及分析

根据历年气象统计数据表明，福州地区室外气温最高时段是从5月份至9月份(图2)，因此本文将数值模拟计算区间设定在这个时段。在室内空调温度分别在22℃～25℃、相对湿度60%～70%的变化过程中，通过建立的热湿传递模型计算出各个工况下墙体材料内部含水量变化曲线，计算结果如图4～图9所示。

水泥砂浆位于外墙的最外侧，其内部含水量变化曲线如图4、图5所示。在室内温度22℃～25℃，相对湿度60%～70%的变化范围内，3种设计工况计算得出水泥砂浆含水量波动走势基本一致。在5月、6月份室外温湿度波动剧烈，水泥砂浆含水量变化区间较大(15kg/m3～45kg/m3)。在7月～9月份室外温湿度虽然处于高温高湿状态，但是变化平稳，水泥砂浆含水量也处于相对稳定状态，其中7月、8月份水泥砂浆含水量在20 kg/m3上下波动。由此可见，水泥砂浆含水量受外侧气候环境变化的影响大，基本上不受室内侧温湿度变化的影响。

从整体上看，如图4所示，在室内设计温度均为25℃时，相对湿度为70%的设计工况，水泥砂浆内含水量比相对湿度60%时要高，室外高温条件下更为明显。在室外温度相对较低的时候，水泥砂浆含水量出现反转的情况(7月初，8月中旬)。从以上分析可知，室内温度一定情况下，室外高温有利于室内湿度向外传导，室外温度较低情况下，水泥砂浆含水量可能出现短期积累。如图5所示，室内设计相对湿度70%时，在5月、6月、9月份室内设计温度为25℃和设计温度为22℃两种工况下，水泥砂浆的含水量呈一致变化趋势，并且室内温度高、水泥砂浆含水量略高。在7月、8月份水泥砂浆含水量与室内温度变化出现背离，室内温度高、水泥砂浆含水量减少。

如图6、图7所示，加气混凝土含水量在室内外温湿度的影响下，呈现一致递减的变化趋势。与水泥砂浆相比其含水量变化更为平稳，未出现剧烈的上下波动情形。一方面因为水泥砂浆减弱室外温湿度变化的影响，另一方面也说明加气混凝土良好的热工性能及透湿能力，使得自身未出现大量湿积累的现象。

如图6所示，在室内设计温度为25℃时，相对湿度提高，加气混凝土内含水量增加。随时间的迁移，两者含水量之差逐渐拉大。由此可见，室内相对湿度较低的情况下，加气混凝土含水量渗透更快，湿积累减少。在室内设计相对湿度70%时，温度降低，加气混凝土含水量增加。如图7所示，随时间的变化，两者含水量之差几乎不变，室内温度降低对湿迁移起抑制作用，减弱程度与温度变化近视成正比关系。

如图8所示，由于石灰层位于室内侧，其含水量的变化主要来自室内侧温湿度的影响。在室内设计温度为25℃时，石灰内含水量变化近视呈直线变化。室内相对湿度为60%时，其内含水量约为22.5kg/m3，室内相对湿度为70%时，其内含水量约为27.5kg/m3。在室内温度一定的情况下，石灰含水量与室内相对湿度变化成正比。

当室内温度降低至22℃时，在室外温度梯度和湿度梯度驱动下，湿迁移往室内聚集，此时室内相对湿度(70%)处于较高的水平下，在5月、6月份出现局部时间段湿积累突然增加的情况，如图9所示。这与水泥砂浆含水量在5月和6月中旬突然出现较大波动相关。室内设计温度为25℃，相对湿度70%的工况下，未出现这种情况，说明室内外温度梯度不足以引发湿度逆向传导。根据上述分析可知，室内温度降低到一定程度时，室外湿度在较大的温度梯度作用下，湿气往室内逆向传导量大于正向传导量，在局部短时间内石灰湿积累量出现跳跃式的增加。

5　结语

从室外侧到室内侧，各层建材受室外环境影响逐渐减小，水泥砂浆内部含水量波动最大。室内温度一定的情况下，室外高温有利于室内湿度向外传导；室外较低温度工况下，水泥砂浆含水量可能出现短期积累。加气混凝土良好的热工性能及透湿能力，使得自身未出现大量湿积累的现象。石灰层在室内相对恒定的温湿度工况下，自身含水量保持相对稳定的状态；当室内温度降低到一定程度时，室外湿度在较大的温度梯度作用下，引起内侧墙体湿积累量突然增加。实际工程中，由于最外层维护结构长期处于高湿状态，墙体热工性能破坏严重；室内处于较低空调温湿度工况下，内侧墙体湿积累增加，极容易诱发霉菌的生长。

[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]郭兴国，陈友明. 热湿气候地区多层墙体的热湿性能分析[J]. 湖南大学学报(自然科学版)，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]李炳华. 多层组合墙体内部热湿环境对霉菌生长的影响分析[J]. 长沙：湖南大学，2011，17-19.

[8]高庆龙. 被动式太阳能建筑热工设计参数优化研究[J].西安：西安建筑科技大学，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

李炳华(1985.4-)，男，工程师。E-mail:npad@qq.com

2016-08-09

TU31

A

1004-6135(2016)09-0076-04