论文部分内容阅读
摘要：
通过静态称重法和干湿杯法测得了加气混凝土在15、25和35 ℃下的等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数，讨论了蒸汽渗透系数的变物性取值方法，并与《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-93）中的取值进行了对比。结果表明，加气混凝土的等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数在实验温度范围内受温度影响不大。该取值方法能针对吸湿过程，在中等相对湿度（60%～80%）或者整个典型建筑环境相对湿度（40%～95%）范围内计算得到与规范规定值基本相同的平均蒸汽渗透系数。此外，该方法能推广到各种多孔材料，针对吸湿或放湿过程，在各相对湿度范围内得到准确的蒸汽渗透系数。
关键词：
加气混凝土，渗透系数，等温吸放湿曲线，变物性
理解和控制建筑围护结构中的湿分传递与储存过程可以帮助人们延长建筑构件的使用寿命[12]，减少暖通空调系统的能耗[34]，缓和室内温湿度的波动[5]，并提高室内空气品质[67]。分析建筑围护结构中湿分传递的方法有很多种。长期以来，Glaser提出的稳态蒸汽渗透模型被广泛用于工程实践，甚至成为国际标准（EN ISO 13788[8]）。中国的《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）[9]也采用该计算方法。该模型其实源于菲克定律，其表达式为：式中：qv为蒸汽传递速率，单位为kg/（m2·s），工程常用单位为g/（m2·h）；μ为蒸汽渗透系数，单位为kg/（m·s·Pa），工程常用单位为g/（m·h·Pa）；Pv/x为蒸汽传递方向上的蒸汽压力梯度，Pa/m。
冯驰，等：加气混凝土蒸汽渗透系数的变物性取值方法
Glaser模型虽然简单易用，但在很多计算中表现出的精度较差。这主要是由两方面原因引起的：一方面，Glaser模型是纯蒸汽渗透的一维稳态模型，而在实际过程中，湿分的传递常常是非一维、非稳态、液态和气态湿分同时传递的。因此，近年同时考虑围护结构中热量、空气和湿分传递的多维多相瞬态模型得到了大量关注[1013]。另一方面，Glaser模型中涉及的关键物性参数——蒸汽渗透系数μ是温度与材料含湿量的函数。而在中国规范中，这一物性参数却被取为定值[9]，因而大大影响了计算结果的准确性。如果能更准确的对蒸汽渗透系数取值，那么计算的精度必然得到提高。
笔者以加气混凝土为例，通过实验测得了其等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数，讨论了蒸汽渗透系数的变物性取值方法，并与现有规范中的取值进行了对比。
1实验方法
所用加气混凝土的密度符合B07标准，强度等级为A5.0。进行实验前，加气混凝土砌块已在自然状态下放置1 a以上。等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数的测试都在华南理工大学建筑节能研究中心的人工气候室内完成。2个性质的测试都分别在15、25和35 ℃下进行，温度控制精度为± 0.2 ℃。
1.1等温吸放湿曲线的测定
等温吸放湿曲线的测定采用静态称重法，主要参照国际标准ISO 12571[14]进行（图1）：将加气混凝土砌块切割成4 cm×4 cm×2 cm的试件，烘干至恒重后放入内部空气相对湿度不同的干燥器内吸湿，每隔一段时间取出各试件分别称重。待吸湿达到平衡后，将在较高相对湿度下吸湿平衡的试件取出，放入较低相对湿度的干燥器内进行放湿直至平衡。干燥器内部空气的相对湿度用8种饱和盐溶液（LiCl、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、KNO3和K2SO4）控制。
称重所用的分析天平精度达万分之一克。在连续3次称重（间隔24 h以上）结果变化不超过0.1%的情况下认为已达到平衡，取3次称重结果的平均值作为最终结果。计算每个试件的平衡含湿量，然后计算同一工况下4个试件的平均值。
1.2蒸汽渗透系数的测定
蒸汽渗透系数的测定采用干湿杯法，主要参照国际标准ISO 12572[15]进行（图2）：将加气混凝土砌块切割成直径12 cm、厚3 cm的圆饼状试件，用精度为0.01 mm的游标卡尺测量每个试件的尺寸。将试件在一定温度和相对湿度下预处理后，封装在透明玻璃容器的口部。用石蜡和凡士林的混合物密封。容器内装有约200 mL饱和盐溶液及一定量的未溶解的盐，液面上方和试件下表面之间有约2～3 cm厚的空气层。封装了试件的玻璃容器放入乘有饱和盐溶液或干燥剂的干燥器内。干燥器内部装有小风扇，在测试期间一直保持运行，以保证干燥器内部空气的运动。试件两侧的相对湿度对共有3组，大约为0～40%，40%～80%和80%～95%，具体数值因测试温度的不同而略有变化。
用气压计记录整个实验过程中人工气候室内的气压，精确到10 Pa。每个工况下均用3～6个试件进行平行测试。每隔3～4 d对试件及其密封的玻璃容器进行一次称重，并用直尺测量空气层厚度。天平精度为0.01 g，直尺精度为1 mm。在重量变化速率稳定后，连续称量7次。计算试件的蒸汽渗透系数时，空气层厚度、气压等因素均已修正。整个称重过程结束后，从容器口处取出试件，迅速砸碎并用烘干法测量试件中心部分的平衡含湿量。
2实验结果
2.1等温吸放湿曲线
图3为测得的加气混凝土试件在各温度和相对湿度下的平衡含湿量散点图。其中，不同温度下的数据点未在图中加以区分，因为统计检验表明，在实验的温度范围内温度对加气混凝土的等温吸放湿曲线影响不大。从图3可以看出，加气混凝土的毛细滞后效应明显，因此应该用吸湿曲线和放湿曲线分别描述吸湿和放湿过程。
2.2蒸汽渗透系数
图4为测得的加气混凝土试件在各温度和平衡含湿量下的蒸汽渗透系数散点图。与图3类似，不同温度下的数据点也未加以区分。
3蒸汽渗透系数的变物性取值方法
3.1取值方法
许多学者都将蒸汽渗透系数直接表达为环境相对湿度的单值函数[2021]。但事实上，蒸汽渗透系数应该是材料含湿量的单值函数。对于加气混凝土这样有明显毛细滞后现象的材料而言，即使环境相对湿度相同，材料的平衡含湿量也可能因为吸放湿过程的不同而存在很大的差异，所以，一个相对湿度其实对应了两个蒸汽渗透系数。由此可见，将蒸汽渗透系数表达为相对湿度的单值函数是不合理的。
然而，环境相对湿度是一个比材料含湿量更容易获得且非常常用的参数。若能将材料的蒸汽渗透系数表达为相对湿度的函数，则能大大方便实际应用。从上述分析可知，这么做是有一定代价的：即对于有明显毛细滞后现象的材料而言，应该有2个函数分别针对吸湿和放湿过程，在不同工况下予以采用。将式（1）～（3）合并，并假定环境相对湿度没有剧烈变化，材料与环境的吸放湿过程始终处于（准）动态平衡，则可以得到加气混凝土在吸湿和放湿过程中蒸汽渗透系数与相对湿度的关系曲线（图5）。
从图5可见，吸放湿过程对应的蒸汽渗透系数有明显差异，而且相对湿度越高，差异越明显。这主要是因为加气混凝土的毛细滞后效应在较高相对湿度下更为明显。此外，在相对湿度超过90%后，加气混凝土的蒸汽渗透系数随相对湿度的增加而迅速变大。此时，蒸汽的传递已不再是湿传递的主要机制，液态水的迁移起到了更加重要的作用。
3.2与规范比较
中国《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）中规定，加气混凝土的蒸汽渗透系数取定值，为0.000 099 8 g/（m·h·Pa）（材料密度为700 kg/m3）和0.000 111 0 g/（m·h·Pa）（材料密度为500 kg/m3）[9]。笔者所用加气混凝土密度接近700 kg/m3，因此与前者比较。选取4个典型的相对湿度工况，用变物性取值法计算该工况下加气混凝土的蒸汽渗透系数，然后与规范比较，结果见表1。
通过静态称重法和干湿杯法测得了加气混凝土在15、25和35 ℃下的等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数，讨论了蒸汽渗透系数的变物性取值方法，并与《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-93）中的取值进行了对比。结果表明，加气混凝土的等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数在实验温度范围内受温度影响不大。该取值方法能针对吸湿过程，在中等相对湿度（60%～80%）或者整个典型建筑环境相对湿度（40%～95%）范围内计算得到与规范规定值基本相同的平均蒸汽渗透系数。此外，该方法能推广到各种多孔材料，针对吸湿或放湿过程，在各相对湿度范围内得到准确的蒸汽渗透系数。
关键词：
加气混凝土，渗透系数，等温吸放湿曲线，变物性
理解和控制建筑围护结构中的湿分传递与储存过程可以帮助人们延长建筑构件的使用寿命[12]，减少暖通空调系统的能耗[34]，缓和室内温湿度的波动[5]，并提高室内空气品质[67]。分析建筑围护结构中湿分传递的方法有很多种。长期以来，Glaser提出的稳态蒸汽渗透模型被广泛用于工程实践，甚至成为国际标准（EN ISO 13788[8]）。中国的《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）[9]也采用该计算方法。该模型其实源于菲克定律，其表达式为：式中：qv为蒸汽传递速率，单位为kg/（m2·s），工程常用单位为g/（m2·h）；μ为蒸汽渗透系数，单位为kg/（m·s·Pa），工程常用单位为g/（m·h·Pa）；Pv/x为蒸汽传递方向上的蒸汽压力梯度，Pa/m。
冯驰，等：加气混凝土蒸汽渗透系数的变物性取值方法
Glaser模型虽然简单易用，但在很多计算中表现出的精度较差。这主要是由两方面原因引起的：一方面，Glaser模型是纯蒸汽渗透的一维稳态模型，而在实际过程中，湿分的传递常常是非一维、非稳态、液态和气态湿分同时传递的。因此，近年同时考虑围护结构中热量、空气和湿分传递的多维多相瞬态模型得到了大量关注[1013]。另一方面，Glaser模型中涉及的关键物性参数——蒸汽渗透系数μ是温度与材料含湿量的函数。而在中国规范中，这一物性参数却被取为定值[9]，因而大大影响了计算结果的准确性。如果能更准确的对蒸汽渗透系数取值，那么计算的精度必然得到提高。
笔者以加气混凝土为例，通过实验测得了其等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数，讨论了蒸汽渗透系数的变物性取值方法，并与现有规范中的取值进行了对比。
1实验方法
所用加气混凝土的密度符合B07标准，强度等级为A5.0。进行实验前，加气混凝土砌块已在自然状态下放置1 a以上。等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数的测试都在华南理工大学建筑节能研究中心的人工气候室内完成。2个性质的测试都分别在15、25和35 ℃下进行，温度控制精度为± 0.2 ℃。
1.1等温吸放湿曲线的测定
等温吸放湿曲线的测定采用静态称重法，主要参照国际标准ISO 12571[14]进行（图1）：将加气混凝土砌块切割成4 cm×4 cm×2 cm的试件，烘干至恒重后放入内部空气相对湿度不同的干燥器内吸湿，每隔一段时间取出各试件分别称重。待吸湿达到平衡后，将在较高相对湿度下吸湿平衡的试件取出，放入较低相对湿度的干燥器内进行放湿直至平衡。干燥器内部空气的相对湿度用8种饱和盐溶液（LiCl、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、KNO3和K2SO4）控制。
称重所用的分析天平精度达万分之一克。在连续3次称重（间隔24 h以上）结果变化不超过0.1%的情况下认为已达到平衡，取3次称重结果的平均值作为最终结果。计算每个试件的平衡含湿量，然后计算同一工况下4个试件的平均值。
1.2蒸汽渗透系数的测定
蒸汽渗透系数的测定采用干湿杯法，主要参照国际标准ISO 12572[15]进行（图2）：将加气混凝土砌块切割成直径12 cm、厚3 cm的圆饼状试件，用精度为0.01 mm的游标卡尺测量每个试件的尺寸。将试件在一定温度和相对湿度下预处理后，封装在透明玻璃容器的口部。用石蜡和凡士林的混合物密封。容器内装有约200 mL饱和盐溶液及一定量的未溶解的盐，液面上方和试件下表面之间有约2～3 cm厚的空气层。封装了试件的玻璃容器放入乘有饱和盐溶液或干燥剂的干燥器内。干燥器内部装有小风扇，在测试期间一直保持运行，以保证干燥器内部空气的运动。试件两侧的相对湿度对共有3组，大约为0～40%，40%～80%和80%～95%，具体数值因测试温度的不同而略有变化。
用气压计记录整个实验过程中人工气候室内的气压，精确到10 Pa。每个工况下均用3～6个试件进行平行测试。每隔3～4 d对试件及其密封的玻璃容器进行一次称重，并用直尺测量空气层厚度。天平精度为0.01 g，直尺精度为1 mm。在重量变化速率稳定后，连续称量7次。计算试件的蒸汽渗透系数时，空气层厚度、气压等因素均已修正。整个称重过程结束后，从容器口处取出试件，迅速砸碎并用烘干法测量试件中心部分的平衡含湿量。
2实验结果
2.1等温吸放湿曲线
图3为测得的加气混凝土试件在各温度和相对湿度下的平衡含湿量散点图。其中，不同温度下的数据点未在图中加以区分，因为统计检验表明，在实验的温度范围内温度对加气混凝土的等温吸放湿曲线影响不大。从图3可以看出，加气混凝土的毛细滞后效应明显，因此应该用吸湿曲线和放湿曲线分别描述吸湿和放湿过程。
2.2蒸汽渗透系数
图4为测得的加气混凝土试件在各温度和平衡含湿量下的蒸汽渗透系数散点图。与图3类似，不同温度下的数据点也未加以区分。
3蒸汽渗透系数的变物性取值方法
3.1取值方法
许多学者都将蒸汽渗透系数直接表达为环境相对湿度的单值函数[2021]。但事实上，蒸汽渗透系数应该是材料含湿量的单值函数。对于加气混凝土这样有明显毛细滞后现象的材料而言，即使环境相对湿度相同，材料的平衡含湿量也可能因为吸放湿过程的不同而存在很大的差异，所以，一个相对湿度其实对应了两个蒸汽渗透系数。由此可见，将蒸汽渗透系数表达为相对湿度的单值函数是不合理的。
然而，环境相对湿度是一个比材料含湿量更容易获得且非常常用的参数。若能将材料的蒸汽渗透系数表达为相对湿度的函数，则能大大方便实际应用。从上述分析可知，这么做是有一定代价的：即对于有明显毛细滞后现象的材料而言，应该有2个函数分别针对吸湿和放湿过程，在不同工况下予以采用。将式（1）～（3）合并，并假定环境相对湿度没有剧烈变化，材料与环境的吸放湿过程始终处于（准）动态平衡，则可以得到加气混凝土在吸湿和放湿过程中蒸汽渗透系数与相对湿度的关系曲线（图5）。
从图5可见，吸放湿过程对应的蒸汽渗透系数有明显差异，而且相对湿度越高，差异越明显。这主要是因为加气混凝土的毛细滞后效应在较高相对湿度下更为明显。此外，在相对湿度超过90%后，加气混凝土的蒸汽渗透系数随相对湿度的增加而迅速变大。此时，蒸汽的传递已不再是湿传递的主要机制，液态水的迁移起到了更加重要的作用。
3.2与规范比较
中国《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—93）中规定，加气混凝土的蒸汽渗透系数取定值，为0.000 099 8 g/（m·h·Pa）（材料密度为700 kg/m3）和0.000 111 0 g/（m·h·Pa）（材料密度为500 kg/m3）[9]。笔者所用加气混凝土密度接近700 kg/m3，因此与前者比较。选取4个典型的相对湿度工况，用变物性取值法计算该工况下加气混凝土的蒸汽渗透系数，然后与规范比较，结果见表1。