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1、围护结构湿传递研究,引言,湿度在建筑结构设计中一直都是一个比较棘手的因素，所以长期以来人们都没有能够充分地考虑湿度对建筑结构以及建筑能耗的影响。随着空调负荷计算的不断精确化和建筑能耗分析技术的快速发展，人们开始探讨以前未曾考虑或没有认真考虑过的一些对空调负荷的影响因素，其中建筑围护结构以及室内物体的湿传递是十分重要的因素之一。在传统的空调负荷计算中也考虑了室内相关物体吸放湿过程的影响，而对建筑围护结构的湿传递影响考虑的较少。同时，围护结构的湿传递还会引起一系列的问题，如墙体内表现结露、霉变，影响墙体结构，影响室内舒适度及空气品质等。总之，在未来的建筑设计中，围护结构传湿必须要引起人们的重视。,
2、主要内容,湿传递研究 外围护结构传湿 围护结构结露，冷凝问题 围护结构内表面霉变问题 湿传递引发围护结构的其他问题 围护结构热湿耦合传递,建筑围护结构,多孔介质：指内部含有众多空隙的固体材料。 在建筑中常根据水分的存在的方式将建筑材料分为三类 1)非多孔介质, 如玻璃； 2)吸湿多孔介质,如木材、黏土； 3)毛细多孔介质, 如砖、混凝土、石膏板等。 因此大部分建筑材料都属于多孔介质。所以在研究多孔介质的湿传递可以为研究维护结构的湿传递奠定理论基础。,研究建筑围护结构湿传递的意义,建筑围护结构是典型的多孔结构。湿组分在建筑材料中的迁移和积累将严重降低围护结构的热工性能，进而会增加建筑能耗，减少其
3、使用年限；同时，围护结构表面的湿度过高为霉菌的生长提供了有利条件，特别是在湿热湿冷气候区，霉菌的生长情况更为严重，这将导致室内空气品质的下降，对人类的健康构成威胁。因此，研究围护结构的传热传湿过程具有重要意义。,围护结构湿传递研究,对多孔材料传湿的研究最早是从土壤的传湿过程开始的。1915年G. J.Boayoucos首次对温度梯度作用下土壤中的水分迁移进行了实验研究, 他指出由于温度梯度的存在会引起湿迁移,然而W.O.Smith认为湿迁移是由材料中的水汽对流造成的。 1921 年,W.R.Lewis提出了一个最简单但最容易被人们接受的扩散理论模型,认为在多孔介质的热湿迁移过程中, 物质内部的
4、湿分首先以液态方式迁移到物体表面,然后在表面气化。,墙体是建筑的主体结构，建筑围护结构的湿传递研究主要体现在建筑墙体的湿传递上。但是建筑墙体湿传递是一个非常复杂的过程，它不仅和墙体本身的结构有关,而且受到众多外界因素的影响，故研究较少，理论不完善。,最早提出多孔介质中热湿耦合传递理论的是J.R.Philip和D.A.deVries,他们建立了土壤热质耦合传递的数学模型。该理论认为含湿量的迁移可分为液体的毛细流动和蒸汽的扩散渗透,并把多孔介质处理成连续介质。综合了水气的扩散理论和液态水在重力、毛细作用和分子吸收作用下的黏滞力流动理论,提出了在多孔介质中存在温度和含湿量梯度条件下的Darcy定律和
5、Fick定律(浓度梯度越大，扩散通量越大)的修正公式,以描述多孔材料介质中液态水和水蒸气在等温和非等温条件下的热湿迁移。 陈永成和陈启高通过对建筑墙体内部的湿分布分析，将建筑墙体的受潮分为3个阶段：水蒸气渗透阶段、毛细扩散阶段和液相水渗流阶段。在研究墙体湿迁移过程中，假设物性参数及热湿迁移系数均为常量，并且将结构内的温度场视为稳态，温度呈线性分布，提出了围护结构墙体吸湿区和潮湿区的物理模型及湿度计算方程，得到了吸湿区和潮湿区湿度动态分布的解析式及工程上的简化实用公式。 苏向辉详细分析了墙体内湿组分迁移的过程及湿积累现象形成的原因，在冬、夏气候条件下，对墙内温度、水蒸气压力、相对湿度及湿积累在仅
6、有扩散、扩散与空气渗透同时存在等情况下进行了研究，结果表明墙体内、外表面的相对湿度、室内温度、渗透率、空气压差以及空气的渗流速度是影响墙内湿积累的主要因素。,外维护结构的传湿,外围护结构是隔离室内外的分界线，受着室内外两个方面热与湿的作用，它通过其两个表面和所接触的空气进行热与湿的交换，这种交换在一年之中起着周期变化。围护结构一般地起着吸湿与解湿的变化，在吸湿过程中，围护结构受潮，而在解湿过程中，围护结构逐渐干燥，这种吸湿与解湿现象使材料结构产生湿胀、干缩出现应力，这种应力往往使材料中颗粒之间联系减弱，久久发生龟裂。,外围护结构表面湿交换方式,围护结构表面与空气间的湿交换有三种方式：喷射、对流
7、和扩散。 1、喷射 喷射流是存在于材料毛细管中的液体膜，由于出现压差而使之破裂喷射而出的，又称为喷泉效应，这种喷泉效应的特点是出现空间蒸发，这种现象在强烈干燥的多孔材料的围护结构的表面上特别显著。一般围护结构的潮湿计算时，可忽略这种现象。 2、对流、扩散 湿传递同热传递的基本定律一样，也遵循着欧姆定律。此时，湿传递的动力来自湿空气的水蒸汽分压力，阻力则为材料所具有的阻水水蒸汽通过的能力，与热阻对应可称为湿阻，工程上也称为水蒸汽渗透阻。传湿量与水蒸汽分压力差成正比，与湿阻成反比。当围护结构两侧空气中水蒸汽分压力不相等时，水蒸汽将从分压力高的一侧移向分压力低的一侧。在稳态条件下，单位时间内通过单位
8、面积围护结构的水蒸汽量W与两侧空气中水蒸汽分压力差P成正比：,式中：为湿流量，g/（mh）； pn、pw分别为室内外水蒸汽分压力，Pa； Hn、Hw分别为室内外表面空气边界层水蒸汽渗透阻，（mhPa）/g； Hi为第i层材料水蒸汽渗透阻，（mhPa）/g。,围护结构结露机理,根据热力学原理，当一定温度的湿空气中水蒸气分压力达到该温度下水蒸气的饱和分压力时，水蒸气就释放出热量凝结成水。对于未饱和的湿空气，若在水蒸气分压力不变的情况下使其降低温度，这时虽然湿空气中水蒸气含量不会变化，但水蒸气的状态将按定压线变化，直至达到新的饱和状态。在这种饱和状态下对应的温度称为湿空气的露点温度，简称露点。,结露
9、现象的划分,在对围护结构结露现象的研究中按照结露部位划分，可分为三类。 第一类是围护结构表面的结露现象，这也是最容易研究的结露现象。只需用壁面温度与空气的露点温度进行比较，当壁面温度低于空气的露点温度时，即认为壁面会产生结露现象。 第二类是多层复合墙体（也包含屋盖、地面）材料的内部结露现象。多层墙体是由多种不同的建筑材料构成。而不同的建筑材料其水蒸气渗透系数是不同的，当湿分从水蒸气渗透系数大的建筑材料一侧向水蒸气渗透系数小的建筑材料一侧传递时，湿分会被挡在两种材料的间层中。使间层的水蒸气分压力增大。如果此处为墙体的低温侧，其对应的饱和分压力较小。这时如果水蒸气分压力达到饱和，此处就会产生结露现
10、象。这种结露现象与温度梯度有关，还与水蒸气渗透系数不同的材料排列顺序有关，是一种湿流受阻型的结露现象。,第三类是保温层内部产生的结露现象。如果保温层高温一侧的相对湿度极高，或两侧的温差极大，保温层中便会产生结露现象。当水蒸气向分压力低的一侧流动时，其流动途径上有的地方温度梯度大，有的地方湿度梯度大。当多层墙体中采用保温材料或其他热阻很大的材料时，这类材料两侧的温差很大，使其低温一侧的饱和水蒸气分压力（或饱和含湿量）急剧变小。即使透过低温一侧的水蒸气含量不大，也能够形成容易结露的条件。在这种情况下，如果保温层低温一侧为蒸气渗透阻很大的材料，那么蒸气渗透阻越大则越容易结露。因此，不要片面认为保温层
11、的导热系数越小越好，如果与蒸气渗透系数不匹配，内部产生结露现象，导热系数反而会增大，而且会加速水浸老化的过程。,防止和控制冷凝的措施,产生表面冷凝的原因，不外是由于室内空气湿度过高或表面的温度过低，以致该处温度低于露点温度而引起冷凝。这种现象不仅会在我国北方寒冷季节出现，我国广大南方地区春夏之交的地面泛潮更是常见，同样属于表面冷凝。因此，防止和控制表面冷凝具有广泛的实用意义。,1)正常湿度的采暖房间 对于这类房间，若围护结构已按最小总热阻设计，且保温薄弱的部位也进行了检验和处理，一般情况下不会出现表面冷凝现象。但使用中应尽可能使围护结构内表面附近的气流畅通，家具不宜紧靠外墙布置。为防止供热不均
12、匀而引起围护结构内表面温度的波动，围护结构内表面层宜采用蓄热系数较大的材料，利用它蓄存的热量起调节作用，减少出现周期性冷凝的可能。,2)高湿房间 一般是指冬季室内空气温度处于1820以上，而相对湿度高于75的房间。对于此类建筑应尽量防止表面显潮和滴水现象，以免结构受潮和影响房间使用质量。 当房屋在使用中处于短暂或间歇性高湿状况时，为避免围护结构内表面冷凝水形成水滴下落，内表面可采用吸湿能力强又耐潮湿的饰面层。在凝结期，水分被饰面层所吸收，待房间比较干燥时，水分又从饰面层蒸发出去。 当房屋在使用中处于连续高湿状态时，为避免围护结构内部受潮，内表面应设不透水饰面或增设防水层，以阻止冷凝水渗入围护结
13、构深部。对于那种连续处于高湿条件下、又不允许内表面冷凝水滴落的房间，内表面在采用不透水材料层时，还应在构造上采取措施将表面冷凝水滴导流，并有组织地排除。,防止围护结构内表面冷凝、结露,防止围护结构内部冷凝,材料层次的布置应符合“进难出易”的原则。在同一气象条件下，围护结构采用相同的材料，由于材料层次布置的不同，效果可能显著不同。如图所示,(a)方案是将导热系数小、水蒸汽渗透系数大的保温材料层布置在水蒸汽渗入的一侧，将比较密实、导热系数较大而蒸汽渗透系数较小的材料布置于另一侧。由于内层材料热阻大，温度降落多，饱和水蒸汽分压力“Ps”曲线相应地降落也快，但该层透气性大，水蒸汽分压力“P”曲线降落平
14、缓；而外层情况正相反。这样“Ps”线与“P”线很容易相交，说明容易出现内部凝结。 (b)方案把轻质材料保温层布置在外侧，而将密实材料层布置在内侧。水蒸汽难进易出，“Ps”线与“P”线不易相交，说明内部不易出现冷凝。显然，从防止围护结构内部出现冷凝来看，(b)图所示方案较为合理，这一规律在设计中应当遵循。,墙体积湿霉变及其危害,我国南方地区夏季温度高、湿度大、持续时间长。最热月平均温度2529，日平均气温大于25的天数达100200天，最热月平均相对湿度78%83%，属于典型的高温高湿区域。该地区夏季有空气调节时的室内相对湿度一般设计在60左右，波动幅度在5以内，显然室内、外存在着很大的湿度差，
15、所以就会有墙体的传湿过程。由于墙体的材料有一定的干燥程度要求，而墙体的湿过程会使得墙体材料的干燥程度下降，从而引起建筑材料的热性能下降、强度降低以及产生霉菌等一系列的问题，所以在热湿地区墙体积湿霉变是一个急待解决的问题。,据美国旅馆与汽车旅馆协会1991年统计，平均每年仅用于整修因发霉对建筑物所造成损坏的费用就高达6800万美元之多。另外一个例子是位于佛罗里达州的波尔卡法院，它由于霉菌滋长带来一系列问题，并且停止使用了好几年，最后用1600万美元修整，修整费用高达其原始建造费的一半。,防止墙体霉变的措施,1、保持室内墙壁及家具的清洁卫生，减少霉菌生长所需营养物 2、湿度控制手段 1）减少室内相
16、对湿度； 2）保持表面温度在露点温度以上； 3）使用水蒸气防护层控制水蒸气和空气渗入墙体； 4）防止因下雨和地下水渗入墙体。 3、采用一种或几种抑菌防霉剂来改善（但因考虑其可能带来的污染）,围护结构湿传递引发的问题,湿传递引发建筑结构问题 湿传递引发热舒适性及空气品质问题 湿传递引发的能耗问题,湿传递引发建筑结构问题 自然界中，空气中以水蒸气形式存在的水分始终包围着我们。只要墙体两侧存在着绝对含湿量差（也即是水蒸汽分压力差），就会发生水蒸气的扩散现象，与墙体传热原理类似，湿传递过程也是连续的。夏热冬暖地区的室外年平均相对湿度为80%，而夏季有空气调节时的室内相对湿度一般设计在60左右，波动幅度在5以内，显然室内、外存在着很大的湿度差，所以就会有墙体的传湿过程。由于墙体的材料有一定的干燥程度要求，而墙体的湿过程会使得墙体材料的干燥程度下降，从而引起建筑材料的热性能下降、强度降低以及产生霉菌等一系列的问题，在影响建筑美观的同时，损坏了建筑的结构，缩短了建筑的使用年限，同时又影响了墙体的保温隔热性能。,应对措施 对于传湿引起的建筑结构
