湿热气候地区气候常年气温高、湿度高、雨量大,然而工程上进行热工计算时往往仅计算纯热状态下,此时材料热物性材料都是定参数.然而高温高湿环境下,大量的湿传递必然会导致建筑材料热物性参数的发生变化,从而导致按照定物性参数分析将无法准确地进行热工计算.

目前,针对建筑围护结构的热湿耦合模型的研究非常多,文献[1-2]使用了水蒸汽压力为湿驱动势的热湿耦合传递模型.文献[3-7]使用相对湿度为湿驱动势的热湿耦合传递模型.这些文章针对不同模型对建筑围护结构传热传质进行了计算分析.然而利用热湿耦合模型进行热工计算时,则不能忽视建筑材料热湿物性参数的取值.目前,国内规范中物性参数采用的是定值,并没有这些物性参数随着湿度变化的数值,且欠缺液态水传递系数的值,现在研究大多采用国外的实验数值.

近年来,研究者们对于建筑材料热湿物性参数对热工计算影响的研究可以大致地分为以下两个方面.一种是通过实验来测量建筑材料的热湿物性参数,从而分析其对热工计算的影响.文献[8]改进了部分浸渍法用于测量液态水传递系数.文献[9]研究了多种建筑材料的静态等温吸湿特性.文献[10]缩短了水蒸气扩散系数的测试时间,提出基于求解瞬态一维质扩散反问题的瞬态测试方法.文献[11]分析了不同板材水蒸气渗透系数在不同湿度条件下的变化规律.文献[12]发现温度、水分含量和体积密度是显着影响绝热材料导热系数的主要因素.其他因素,如厚度、气流速度、压力、老化也会影响热性能.通过实验方法^[8-12]虽然可以准确测量单一建筑材料的热湿物性参数,分析不同因素对建筑材料物性参数的影响,但是目前还无法覆盖所有建筑材料.

另一种常见的分析方法是通过模拟计算来评价热湿物性参数对建筑围护结构的影响.文献[13]分析了不同含湿量对保温层的导热系数的影响大概在3%,聚苯乙烯泡沫导热系数在不同湿度下的变化不可忽视; 文献[14]分析了室外气候对蒸压加气混凝土含湿量的影响,发现慕尼黑的气候变化与稳态计算相比会带来31.6%传热量变化; 文献[15]虽然分析了多因素敏感性研究,且考虑了各因素之间的交互作用,但结论将导热系数视为常数处理显然与常识不同,也与他人^[13]的研究结论相反.

为了准确地计算湿热气候条件下的建筑热工性能,本文针对湿热气候地区的气候条件,利用模拟计算的方法对四种不同砌体结构进行了对比分析,通过比较热湿耦合计算与纯热计算传热量的不同,得出湿热气候条件下砌体结构材料热湿物性参数变化对热工计算的影响程度,确定砌体结构材料热湿物性参数分别是按常数还是变数计算,从而明确湿热气候条件下砌体结构的简化热工计算方法,进而考虑是否需要通过实验来进一步扩展规范的物性参数取值范围,为准确计算湿热气候区建筑传热量提供了理论依据.

湿热气候地区气候条件特殊,常年高温多雨,相对湿度经常在80%以上,湿传递量远远大于其他气候区.为了研究极端热湿地区湿传递对围护结构传热的影响,探讨传统热工计算与热湿耦合计算传热的差异,本文选用前文所述构造及气候条件来计算考虑热湿耦合传递条件下的围护结构传热量,以及不考虑湿传递的围护结构传热量,并将传热量的结果进行相对误差分析和方差分析.不考虑湿传递的传热模型如式(6).

分析结果如图2.

图2 热湿耦合传递与纯热传递计算传热量的相对误差
Fig.2 The relative error of the heat-moisture coupled transfer and pure heat transfer calculation

将热湿耦合传递与纯热传递计算传热量进行方差分析,显著性水平取0.05,方差分析结果如表2所示.

表2 热湿耦合传递与纯热传递计算传热量的方差分析
Tab.2 Variance analysis of heat-moisture coupled transfer and pure heat transfer calculation

从上述的研究可以看出不同材料在相同环境下传热传湿有明显不同,其主要原因在于材料的含湿量不同,本文选用四种材料在模拟环境下的平均含湿量如表3所示.

表3 不同材料含湿量
Tab.3 Moisture content of different materials

通过对四种不同材料的墙体来模拟室内向墙体传递的传热量,对结果进行对比分析.结果表明当忽略湿传递对传热的影响时,四种不同材料造成的最大误差分别为30%、25%、6%、5%,误差值较大不能忽略,其中,B4、B5误差较小的原因在于B4砌体材料不吸水,B5饰面材料不吸水; 对结果的方差分析可以发现,忽略湿传递对传热量计算结果造成的影响时极显著的.所以,在湿热气候地区进行传热计算时,必须考虑湿传递对传热量的影响,利用热湿耦合模型进行传热计算.

此外,为了缓解极端热湿地区室外高湿度对室内热湿环境的影响,提高围护结构材料的隔湿性能是十分有效的方式.然而根据对比四种材料可以发现,提高外墙主体材料或饰面材料的隔湿性能对吸湿能力的影响相当.因此,相比于提高外墙主体材料的隔湿性能和饰面材料的隔湿性能将是一个比较经济的做法.

在民用建筑热工设计规范中,材料导热系数是一个定值,这个在相对湿度不高时,结果是可信的.然而湿热气候地区室外相对湿度长期在80%以上,而材料导热系数会随着湿度的增大而提高,因此,导热系数在不断剧烈变化的条件下对围护结构传热传质的影响是个值得研究的问题.

首先对砌体结构A2导热系数按变物性计算时,墙体内外表面温度、材料含湿量和内表面传热量变化如图3、图4、图5所示.

图3 砌体结构A2内外表面温度(导热系数为变量)
Fig.3 Masonry structure A2 surface temperature (thermal conductivity is a variable)

图4 砌体结构A2内表面传热量(导热系数为变量)
Fig.4 Heat transfer on inner surface of masonry structure A2 (thermal conductivity is variable)

图5 砌体结构A2材料湿度变化
Fig.5 Humidity change of masonry structure A2

此时,砌体结构A2导热系数按变物性取值时,材料含湿量从0%到99%时,导热系数的变化范围:砖:100%～106.72%; 抹灰:100%～233.6%.可以看出在模拟条件下,抹灰由于易于吸湿的关系出现了返潮,而砖体浮动不大,符合湿热气候地区高湿情况的特征,尤其和长三角地区梅雨季节的特征较为吻合,砌体结构A2可以反映出湿热气候地区的墙体传热传质情况.

接着,将导热系数分别按定值和变值计算,计算出四种砌体结构内表面传热量的相对误差(以变物性取值的结果为标准)如图6所示.

方差分析(表4):

将导热系数为定值计算出的传热量结果与上述结果进行方差分析,显著性水平取0.05,方差分析结果如下.

图6 内表面传热量相对误差
Fig.6 Relative error of heat transfer on inner surface

表4 内表面传热量方差分析
Tab.4 Variance analysis of heat transfer on internal surface

为了对比误差来源,现在分析四种砌体结构材料含湿量从0到99%时,导热系数的增量如表5.

表5 材料导热系数变化表
Tab.5 Variation in thermal conductivity of materials

从结果上来看,导热系数对传热量的影响与它本身的性能有关:当材料导热系数随湿度变化较大时,其对传热量的影响较大,在砌体A1变化范围超过30%时,其对传热量的影响将超过10%.而当砌体A2、B4材料导热系数随湿度变化在6%左右,引起的传热量变化在4%左右,B5由于资料没有给出砌体材料导热系数随湿度变化的值,所以基本无变化; 同时通过方差分析可以发现导热系数变化对传热量的影响是极显著的.因此在极端热湿地区研究建筑围护机构的传热传质时,导热系数的值需按变物性取值.

由于砌体材料A1水蒸气渗透系数是定值,B4、B5变化不大,这里只对A2进行分析,A2水蒸气渗透系数的变化如表6所示.

表6 砌体结构A2水蒸气渗透系数的变化范围
Tab.6 Variation range of water vapor permeability coefficient of masonry structure A2

由于水蒸气渗透系数对围护结构传湿的影响较大,因此本文对传热量和传湿量分别进行了比较,当水蒸气渗透系数按变系数取值时,围护结构传递的热量和湿量如图7和图8所示:

图7 内表面传热量(水蒸气渗透系数为变量)
Fig.7 Internal surface heat transfer(water vapor permeability coefficient as variable)

图8 内表面传湿量(水蒸气渗透系数为变量)
Fig.8 Moisture transfer on inner surface(water vapor permeability coefficient as variable)

和水蒸气渗透系数为常数进行对比时,传热量和传湿量相对误差如图9和图 10.

从误差分析可以看出,水蒸气渗透系数的变化对传热量的计算影响很小,只有不到1%,而对传湿量计算影响较大,最大可能造成9%左右的误差.

方差分析(表7):

图9 内表面传热量相对误差
Fig.9 Relative error of heat transfer on inner surface

图 10 内表面传湿量相对误差
Fig.10 Relative error of moisture transmission on the inner surface

表7 内表面传热传湿量方差分析
Tab.7 Variance analysis of heat and moisture transfer on internal surface

从结果上来看,F>F_0.05,P<0.1,所检验的因素对观察值影响极显著.此外,传湿量的F值远大于传热量的F值,而传湿量的P值远小于传热量的P值,水蒸气渗透系数的变化对传湿量的影响更为显著.

从上面的分析可以发现,当水蒸气渗透系数变化范围达到42%时,水蒸气渗透系数对围护结构的传热影响在1%以下,传质影响在8%左右,水蒸气渗透系数变化对传质引起的差异较大,对传热引起的差异太小可以忽略不计.同时方差分析也表明了水蒸气渗透系数的变化对传湿量影响要远大于传热量计算.因此在湿热气候区进行围护结构热工计算时,水蒸气渗透系数可以按规范取定值; 只有当侧重于传湿计算时,水蒸气渗透系数才需按变物性计算.

液态水渗透系数随湿度变化十分明显,当相对湿度从0%变化到99%时,液态水渗透系数变化的数量级大约有10^5,本文选用比较具有代表性的结构A2和B5进行对比,分析不同资料来源的材料的差异性,液态水渗透系数从0%到99%的变化范围,具体如表8所示.

表8 液态水渗透系数的变化范围
Tab.8 Variation range of liquid water permeability coefficient

液态水渗透系数随湿度的增长变化明显,然而传统热湿计算中,常常忽略液态水的影响,热工规范里也并没有液态水渗透系数的取值,因此研究围护结构液态水传递对传热传湿的影响将十分重要.分析结果如图 11所示.

图 11 内表面传热量相对误差(液态水渗透系数为变量)
Fig.11 Relative error of internal surface heat transfer(liquid water permeability coefficient as variable)

通过相对误差分析可以看出,忽略液态水渗透系数的计算对传热量计算影响较小, A2差异只有3%左右,B5基本没有影响; 但是液态水渗透系数随湿度的增长对传湿量计算影响较大,平均误差50%以上.此外,由于B5在12点时考虑液态水渗透系数时数值接近0,会导致相对误差变得极大,因此这里采用传湿量作为对比参考,如图 12、13所示.

图 12 A2内表面传湿量相对误差(液态水渗透系数为变量)
Fig.12 Relative error of moisture transfer on the A2 inner surface(liquid water permeability coefficient as variable)

图 13 砌体B5内表面传湿量(液态水渗透系数为变量)
Fig.13 Moisture transfer capacity on B5 inner surface(liquid water permeability coefficient as variable)

传热量和传湿量的方差分析,如表9和表 10所示.

表9 内表面传热量方差分析
Tab.9 Variance analysis of of heat transfer on inner surface

表 10 内表面传湿量方差分析
Tab.10 Variance analysis of moisture transfer on internal surface

从分析结果中可以看出,液态水渗透系数对传热的影响较小,F<F_0.05,P>0.1,通过方差分析发现差异性不显著.然而液态水传输对传湿量影响很大,F>F_0.05,P<0.01,通过方差分析发现差异性极显著.

此外,由于降雨对液态水传输具有较大影响,因此加入降雨的模拟计算.模拟模型选用文献[19],室外参数如图 14、15所示.

图 14 雨天室外参数
Fig.14 Outdoor parameters in rainy weather

图 15 雨天室内传热量
Fig.15 Indoor heat transfer in rainy days

通过对雨天的模拟发现,液态水渗透系数按相对湿度为0取值与按相对湿度为65%取值的全天传热量的误差在20.1%和11.5%,最大误差出现在7点附近,为35.9%和19.3%.当相对湿度大于95%后,液态水渗透系数的取值变化对传热量的影响较大.

通过对液态水渗透系数的研究可以发现,液态水渗透系数是否按变物性取值取决于室外计算参数.当相对湿度最大值小于95%时,液态水渗透系数的值随湿度的变化十分明显,大约有10^5的数量级,然而其值的变化对围护结构传热量的影响不大,平均只有2%左右,但是对传湿量的影响十分显著,最大会造成大概80%的相对误差.因此在相对湿度小于95%,液态水渗透系数在单纯的热湿耦合传热计算可以按定值取值.如果在围护结构热工计算中需要准确地计算出传湿量,则液态水渗透系数需按变物性取值.

当室外计算条件为降雨时,相对湿度大于95%,此时传热量会受到湿传递的巨大影响,无论传热传湿计算,液态水渗透系数都必须按变物性取值.

本文为了探索湿热气候区的热工计算方法,通过计算机模拟计算的方法,对比分析了湿传递、导热系数、水蒸气渗透系数和液态水渗透系数对围护结构传热传质计算的影响,总结出在湿热气候地区进行热工计算的基本原则,具体如下:

(1)湿传递对传热的影响很大,当围护结构隔湿性能较差时,湿传递最大可以带来30%左右的传热量误差,因此在湿热气候地区进行热工计算时,最好采用热湿耦合模型进行计算;

(2)导热系数的变化对传热量的影响在5%～10%左右,数值较大不能忽略,因此在湿热气候地区进行热工计算时,导热系数需按变物性取值;

(3)蒸汽渗透系数的值虽然受材料含湿量的影响较大,但是否按变物性来计算传热时对围护结构总传热量的影响都不大,在1%左右,因此在湿热气候地区单纯研究围护结构的传热时,蒸汽渗透系数可以按定值取值,推荐蒸汽渗透系数按《民用建筑热工设计规范》取值;

(4)液态水渗透系数的取值受室外计算条件影响巨大,当相对湿度小于95%,即非雨季时,液态水渗透系数可以按定值取值,此时最大误差仅2%左右; 当相对湿度大于95%,在雨季时,液态水渗透系数必须按变物性取值;

(5)蒸汽渗透系数和液态水渗透系数对传湿量的影响相对较大,在如果热工设计中涉及到围护结构构造的传质分析,则两者需按变物性取值;

(6)对四种不同砌体结构材料研究发现:分别提高外墙主体结构材料和饰面材料的隔湿性能对吸湿能力的影响相当,而饰面材料由于厚度和材料问题提升起来更加经济,因此提高饰面材料的隔湿性能是性价比较高的隔湿方法.