竹炭濕物性測試及其對外墻熱濕性能影響的模擬

黃祖堅， 孫一民， MUSSO Florian

(1.華南理工大學 建筑學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640； 3.慕尼黑工業大學 建筑構造與材料教研所， 慕尼黑 80333)

竹炭(BC)的研究與應用興起于20世紀90年代，主要發生在東亞及非洲國家.竹炭由纖維素、半纖維素和少量木質素經不同程度地分解炭化而成[1]，應用于空氣凈化[2]、土壤改良、水凈化[3]，以及生活用品調濕性填充物[4]和復合材料中[5-6].未經活化處理的竹炭孔隙結構中以大孔為主，微孔形成和發展在500℃以后開始；竹炭內部孔徑分布隨溫度升高從0.25～50.00μm收縮到0.55～5.50μm；比表面積在600～700℃之間急劇發展，到700℃時可達385m2/g，是普通木炭的2～5倍，此時竹炭具有最好的調濕機能[7-8].蔣正武等[9]以平衡吸放濕量、吸放濕效率和調濕穩定性作為指標評價竹炭調濕能力，并研究工藝參數對竹炭調濕性能的影響.盧克陽等[10]對竹炭吸濕性能的研究表明，顆粒大小對竹炭吸濕量影響很小，比表面積對吸濕量有不成比例關系的影響，環境溫度升高會導致竹炭的吸濕性能降低.

日本對調濕材料基礎理論有較為充實的研究積累，1949年，西藤等[11]提出“調濕材料”的概念，指不需要借助人工能源和機械設備，依靠材料自身的吸放濕性能，感應所調空間空氣溫濕度的變化，自動調節空氣相對濕度的材料；Maki 等[12]提出用材料水蒸氣擴散系數和最大平衡含濕量來衡量材料的調濕性能，兩者都大的材料調濕性能好.Ikeda[13]基于材料平衡吸放濕曲線u(x,T)的分析，提出以k=(?u/?x)T和v=(?u/?T)x分別表示空氣溫度T一定和空氣絕對濕度x一定時，材料平衡含水率u隨空氣相對濕度變化的能力.Qin等[14]對香港和巴黎的案例進行模擬計算，表明調濕材料對室內空氣濕度和建筑能耗具有改善作用.在建筑調濕材料體系中，多孔類材料包括竹炭、沸石、高嶺土等，它們均具有透過性良好、吸放濕速度快、放濕滯后小的特點，且生產工藝簡單、成本低，因此在民間應用最為廣泛[15].在中國和日本，調濕性竹炭被用于調節室內空氣濕度和建筑構造含濕量，并起抑菌殺菌作用[16].

依托豐富的竹林資源，中國成為主要竹炭生產國和出口國之一.將竹炭作為調濕性填充材應用于建筑工業，具有利用竹資源和提高建筑性能的雙重意義.本文基于建筑圍護結構熱濕過程模型，系統地對竹炭進行濕物性測試，研究竹炭對建筑構件和圍護空間熱濕性能的影響，為其合理應用提供基礎.

1 試驗

1.1 原材料

BC樣品為600℃炭化工藝所得的調濕性竹炭，填充密度為270kg/m3，單元直徑1.0～1.5cm.其表面形貌如圖1所示(采用蔡司EVO18掃描式電子顯微鏡獲得圖像).

圖1 BC樣品表面形貌Fig.1 BC sample surface morphology

1.2 平衡含水率測試

平衡吸放濕試驗采用國際標準ISO 12571:2012和美國標準ASTM-04a(2016)推薦的方法[17-18]，用于測試BC的平衡含水率u值，如圖2所示.將烘干并稱量好的BC置于玻璃皿中(其質量為md)，1式6份，吸濕、放濕過程各3份.將3份烘干試件靜置養護至20℃，然后置入真空干燥器中，真空干燥器底部盛有不同飽和鹽溶液以控制預定的相對濕度.將真空干燥器連同溫濕度記錄儀整體移入恒溫恒濕箱中，在20℃，相對濕度φ=50%條件下進行養護，每天監測真空干燥器內溫濕度的變化，直至穩定到預定值.4周后，每隔3d 打開真空干燥器對試件進行稱重，完成稱重后立刻放回并關閉真空干燥器，重復以上操作，直至連續3次稱重所得結果差異不超過0.1%時，認為材料已經達到了吸濕平衡.記錄潮濕試件質量mw.根據式(1)計算吸濕試件的平衡含水率u，得出其等溫吸濕曲線圖.

(1)

將3份在恒溫恒濕箱(20℃，φ=90%)環境中養護2周直至吸濕平衡的試件置入底部盛有除K2SO4飽和鹽溶液外的其余8個真空干燥器中，重復以上操作，得出放濕試件的等溫放濕曲線圖.

圖2 平衡吸放濕試驗Fig.2 Absorption and desorption test

1.3 蒸汽滲透試驗

蒸汽滲透試驗用于測試BC材料的蒸汽滲透系數δ值，采用國際標準ISO 12572:2001(E)和美國標準ASTM E 96/E 96M-2005等推薦的方法[19-21]，如圖3所示，采用亞克力管和玻璃碗制作符合標準的干、濕杯試驗裝置，其中上方的亞克力管用于盛放BC試件，下方的玻璃碗用于盛放干燥劑/飽和鹽溶液，分別形成干、濕杯.將烘干并稱量好的BC填充于亞克力管容器中(亞克力管圓形開口底部預先粘好不銹鋼絲網，保證竹炭不掉落，并且不影響竹炭吸濕)，亞克力管固定于塑料碗蓋上表面，碗蓋預留直徑100mm的圓形開口，記錄試件及塑料碗蓋整體干燥質量md,lid，再整體移入恒溫恒濕箱中，在23℃，φ=50%條件下進行養護.2周后，試件達到吸濕平衡，將試件及塑料碗蓋密封于玻璃碗上，玻璃碗內盛有粒徑Φ=3mm的CaCl2干燥劑(干杯)或K2SO4飽和鹽溶液(濕杯)以控制試件下方相對濕度，得到干、濕杯試件各3份.將干、濕杯移入恒溫恒濕箱中，在23℃，相對濕度50%條件下進行養護.每隔3d對干、濕杯進行稱重，當總質量連續5次以上呈線性變化后停止養護，立刻取下碗蓋進行稱重得潮濕質量mw,lid，對記錄的質量和時間數據進行線性擬合，所得質量變化速率即為蒸汽傳遞速率G(kg/s).根據式(2)計算試件蒸汽滲透系數δ[kg/(m·s·Pa)]：

(2)

式中：d為試件厚度，m；A為碗蓋開口面積，m2；Tk為絕對溫度，K；Δφ為試件兩側空氣相對濕度差，%；R0為理想氣體常數，R0=461.5N·m/(kg·K)；p為氣壓，Pa；p0為標準大氣壓，p0=101325Pa；hair為試件下表面空氣厚度，m.

圖3 蒸汽滲透試驗Fig.3 Water vapor transmission test

1.4 外墻熱濕性能模擬

建筑圍護結構熱濕空氣流動耦合模型(HAM模型)用于描述圍護結構熱量、濕分及空氣的儲存和傳遞過程，通常采用高度耦合的非線性偏微分方程來同時描述圍護結構中的熱濕傳遞過程，再通過數值方法求解.這一計算方法由于對材料參數、計算時間等要求更高，因此在實際應用中受到局限.Künzel[22]通過理論推算和實測檢驗將熱濕傳遞計算所需材料參數進行了簡化，選擇蒸汽壓和相對濕度作為氣態水和液態水傳遞的驅動勢，并形成計算機程序WUFI(w?rme-und feuchtetransport instation?r，非穩態熱濕過程模擬軟件，由德國Fraunhofer建筑物理研究所開發)的基礎模型.

將本文測試所得BC材料參數輸入WUFI Plus軟件中，設置建筑外墻模型組進行全年熱濕性能模擬，如圖4所示.圖中BC代表含BC構造層的模型組，NC代表不含BC構造層的模型組；BFB為竹重組材，BSB為竹集成材，BPB為竹刨花板，這3種竹板的性質參數是筆者通過相同的試驗條件和方法測試所得；A concrete代表加氣混凝土，L S brick為石灰磚，這2種材料的性質參數是采用WUFI Plus軟件中的默認值.模型外部條件設置時考慮到中國濕氣候參數中缺乏降雨數據，無法形成墻體液態水的驅動勢，會給模擬結果造成誤差[23]，而根據K?ppen氣候分類法，類型豐富的北美氣候區對緯度相近的中國典型氣候區具有較為完整的參考價值，因此使用北美的3個熱濕及溫濕性氣候區中6個代表城市的氣候數據.內部條件設置中建立尺寸為開間×進深×層高=3.0m×3.0m×3.0m的空間單元.設置8:00～17:00為房間工作時間，并賦予標準辦公間使用強度的室內熱濕負荷；邊界條件選擇四面外墻作為研究對象，將頂面天花及底面地板設為絕緣模式.構造上設置常用的3種類型，包括L型(外面板+填充層+內面板)、M型(砌體層+填充層+內面板)和H型(砌體層+內面板).各組構造傳熱系數U值控制在1.0W/(m2·K)左右，采用40mm厚的BC材料作為填充層靠外側布置.模型運行過程中首先關閉暖通空調系統(HVAC)，模擬無設備條件下室內熱濕環境和外墻熱濕性能；然后打開HVAC，以理想的HVAC維持室內溫濕度，計算全年HVAC需求；運行時間為2a，對第2年全年數據進行采集.

圖4 WUFI Plus建筑外墻熱濕性能模擬Fig.4 WUFI Plus hygrothermal performance simulation for exterior walls

2 結果與分析

2.1 材料測試結果

BC試件平衡含水率及蒸汽滲透系數測試結果分別見表1,2.由表1,2可知：BC吸濕量高，在φ=96.3%時達到平衡含水率u=16.67%，體積含濕量w=45.01kg/m3；在測試的相對濕度內(11.2%～85.4%)，放濕過程所得u值比吸濕過程所得u值高0.25%～1.75%，放濕滯后小，有利于發揮BC的調濕作用；BC蒸汽滲透系數干、濕杯測試結果比較接近，取均值為9.32×10-11kg/(m·s·Pa).

從等溫吸放濕曲線(圖5)可見，BC的等溫吸放濕曲線在φ=33.4%～85.4%范圍內向上凸起，表明炭化處理使BC在這一范圍內的調濕容量得到擴大.此外，由各材料蒸汽滲透系數對比(圖6)可知，BC蒸汽滲透系數為竹板蒸汽滲透系數的10.0～213.2倍，濕傳遞速率大幅提高，表明BC的調濕速率得到提高.與構造中其余材料相比，BC在調濕容量和調濕速率方面的優勢有利于發揮其調濕作用.

2.2 WUFI Plus模擬結果

以開啟理想HVAC工況下的年HVAC開啟時間HVACperiod，年供暖和制冷量P值以及加濕和除濕量H值來表征圍護空間的HVAC需求；以關閉HVAC工況下的室內空氣溫度θi的均值θi-mean和振幅θi-amp、外墻內表面溫度θis的均值θis-mean和振幅θis-amp、相對濕度φi的均值φi-mean和振幅φi-amp來表征圍護空間的熱濕環境質量；通過建筑四面外墻的熱流量Hflow和濕流量Mflow，以及L型和M型構造的保溫填充層(cellulose fiber)含濕量wCF來表征外墻構造熱濕性能.對含BC構造層的模型組(BC模型組)和不含BC構造層的模型組(NC模型組)的模擬結果進行對比分析.

表1 真空干燥器內溫濕度控制及平衡含水率測試結果Table 1 Temperature(θ) and relative humidity of ambient air control in vacuum dryers and the measured equilibrium moisture content

表2 干濕杯內濕度控制及蒸汽滲透系數測試結果Table 2 Relative humidity control in cups and the measured water vapor transfer coefficient

圖5 BC、竹板和砌體材料平衡含水率對比Fig.5 Equilibrium moisture content comparison among BC, bamboo panels and masonry

圖6 BC、竹板和砌體材料蒸汽滲透系數對比Fig.6 Water vapor transfer coefficient comparison among BC, bamboo panels and masonry

2.2.1BC對建筑構件熱濕性能的影響

以南側外墻為例分析L型和M型構造填充層的全年含濕量，結果見圖7.由圖7(a)可見，BC對wCF的均值并不產生明顯影響，但能明顯減小其變化振幅，對于HVAC-on工況，wCF振幅減小了0.71～104.52kg/m3，以BC/NC模型組的模擬結果比值作為指標，評價BC對構造熱濕性能的影響.對于wCF振幅，BC模型組為NC模型組的6.44%～85.58%，可見BC對填充層含濕量起到顯著穩定作用.由圖7(b),(c)可見，BC由于自身吸放濕特性，對外墻濕流起到緩沖作用，從而可減小外墻濕熱流量.對于濕流量Mflow，BC模型組為NC模型組的84.47%～101.55%；相應地，對于熱流量Hflow，BC模型組為NC模型組的67.79%～92.45%.

2.2.2BC對圍護空間熱濕性能的影響

圍護空間室內熱濕環境和年HVAC需求模擬結果見圖8.由圖8可知，BC的添加并不對θi-mean，φi-mean和θis-mean產生明顯影響，但可以減小相應的振幅θi-amp，φi-amp和θis-amp.由圖8(a)可見，在HVAC-off工況下，BC模型組φi-amp最大減幅達4.0%；由圖8(b) 可見，BC模型組θi-amp相比于NC模型組減小了0.7～2.5℃；由圖8(c)可見，以南側外墻為例，BC模型組θis-amp比NC模型組θis-amp減小了0.9～3.0℃，表明BC更有助于維持室內熱濕環境的穩定；由圖8(d)可見，BC的添加有助于縮短HVAC開啟時間HVACperiod，BC模型組HVACperiod為NC模型組的91.12%～96.39%；由圖8(e),(f)可見，在打開理想HVAC設備維持空間單元一定舒適性的情況下，與NC模型組相比，BC模型組的P值減小為77.37%～86.00%，H值為93.81%～102.07%.H值除受圍護結構濕流量大小的影響外，還受室內濕負荷、建筑構件濕流方向等多方面因素綜合影響，該模擬結果表明BC并不能對加濕和除濕量起明確作用.

圖7 外墻熱濕性能模擬結果Fig.7 Exterior wall hygrothermal performance simulation results

圖8 圍護空間室內熱濕環境和年HVAC需求模擬結果Fig.8 Enclosed space indoor hygrothermal environment and annual HVAC demand simulation results

3 結論

(1)與3種竹板相比，在本文測試范圍內竹炭平衡含水率在相對濕度為33.4%～85.4%時得到擴大；其蒸汽滲透系數為9.32×10-11kg/(m·s·Pa)，是竹板的10.0～213.2倍，表明炭化處理使BC的調濕容量和調濕速率得到擴大.

(2)建筑構件和圍護空間熱濕性能模擬結果顯示，竹炭對構造填充層含濕量起顯著穩定作用，并可減小外墻熱濕流量和內表面溫度振幅.竹炭有助于減小室內空氣溫濕度振幅，縮短HVAC開啟時間，降低供暖和制冷量，但對加濕和除濕量影響不明顯.

致謝：浙江農林大學工程學院張文標教授、浙江笙炭控股有限公司陳俊輝先生為本研究工作提供竹炭樣品；Fraunhofer IBP(德國費勞恩霍夫建筑物理研究所)提供WUFI Plus軟件使用權； Matthias Pazold先生、Manuel Lindauer博士和Simon Schmidt博士為模擬方案和軟件使用提供建議與技術支持，在此鳴謝.

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