外保溫復合墻體薄空氣間層濕度對傳熱的影響

方 武，魯祥友

(安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601)

關于外保溫復合墻體的傳熱特性，國內已有文獻對其進行了研究[1]，也有文獻對此類墻體進行了熱濕耦合的數值模擬[2]，但是針對復合墻體空氣間層濕度變化對傳熱的影響還鮮有研究。筆者在合肥地區某建筑現場采集了大量的薄空氣間層相對濕度和溫度，復合墻體熱流密度等數據。經統計分析發現，當空氣間層濕度(下文均指相對濕度)變化時，復合墻體的傳熱也有相應的變化，并且兩參數呈負相關特性。通常認為外保溫復合墻體的保溫層與建筑墻體之間的空氣間層保溫隔熱作用，尤其當空氣間層足夠薄時，其對流傳熱弱化到可以忽略不計[3]，這時的傳熱只剩導熱和輻射兩種方式，由于空氣的導熱系數很小，所以輻射傳熱是薄空氣間層的主要傳熱方式。對此，筆者認為既然輻射傳熱是空氣間層的主要傳熱方式，那么濕度對傳熱的影響也一定是輻射傳熱的主要影響。

1 建筑復合墻體傳熱實驗數據的采集

1.1 復合墻體構造

保溫復合墻體的構造是在建筑墻體外加一層由保溫材料制成的保溫板，也就是外保溫結構，這樣建筑墻體和保溫板就構成了復合墻體(見圖1)。為了增強保溫性能，在建筑墻體和保溫板之間留一狹窄的空氣間層，在夾層中沿著豎直方向每隔一段距離放置一根龍骨，龍骨和外墻之間的縫隙用密封膠填充，其作用是便于連接固定保溫板，同時也能對夾層空氣形成隔斷，以弱化空氣流動減少對流傳熱。本文實驗選用合肥地區某建筑作為研究對象，建筑墻體主要由空心粘土磚構成，外抹水泥砂漿，內涂石灰層及裝飾涂料，墻體厚度約為280 mm。保溫板由聚氨酯硬質泡沫作為主材，外表面為鋁合金板，內表面為鋁箔，總體厚度約為 40 mm?？諝忾g層厚度約為30 mm，上下兩根龍骨距離約為500 mm。

圖1 保溫復合墻體構造示意

1.2 實驗數據的采集

整個復合墻體的厚度約為350 mm，墻體高3.6 m，寬6.0 m，高度和寬度都超過了厚度的10倍，可以認為是一維平壁導熱問題。因此，整個檢測采用圍護結構現場檢測方法[4]，在垂直墻體方向上布置熱流片測熱流密度，布置測溫電偶測墻體壁溫及夾層溫度，測溫探頭和熱流片均采用導熱性能良好的導熱硅膠粘接，在空氣間層內設置濕度探頭來測量相對濕度的變化，總共布置了12個測溫點，6個相對濕度測點和6個熱流密度測點，即6組測點，然后求取平均值，圖2和圖3顯示了測試傳感器的安裝[5]。

圖2 溫度探頭和熱流片在外墻表面的安裝

圖3 保溫墻體外觀及相對濕度和墻面溫度探頭

主要測試傳感器技術參數如表1所示。

表1 傳感器技術參數

實驗數據采集間隔時間為30 min，時間長度為2019年整年。由于實驗儀器在室內外溫差10 ℃以上的條件下測試誤差比較小，這里選取7、8月份的夏季測試工況數據來分析空氣間層濕度變化對復合墻體熱流密度的影響。因為被測建筑夏季連續使用空調，能滿足室內外溫差的測試要求，而冬季沒有采暖，條件不如夏季，春秋季室內外溫差更小，數據的可信度就更差了。

2 實驗數據的統計分析

本文研究的目的就是分析空氣間層濕度對復合墻體傳熱的影響，所以首先采用單因素方差分析來考察濕度對傳熱的影響，利用回歸分析得出濕度與傳熱的關系表達式，然后再考慮其他因素對此傳熱過程的影響。

2.1 濕度的單因素統計分析

將同步采集的數據在Excel中進行方差和回歸分析，結果如表2和表3所示。

濕度的變化由49%變化到85%(超出此范圍的數據采集的太少，舍去不用)，按1%變化進行分組，總計860個數據。在方差分析(見表2)中F檢驗的計算值(F)為3.92，臨界值(F crit)為1.44，顯著性水平(P-value)遠小于0.01，說明濕度的變化對熱流密度的影響是顯著的。在回歸分析(見表3)中擬合的線性方程截距(Coefficients，Intercept)為31.56，斜率(Coefficients，組)為-0.34，說明熱流密度隨濕度的變化有負相關特性，圖4為回歸分析得到的熱流密度隨濕度變化的關系曲線?；貧w方程的可信度檢驗，相關系數檢驗值(Multiple R)為0.84，接近1；方差檢驗F值為79.44，遠大于1，說明擬合的方程有較高的可信度[6]。

表2 濕度的單因素方差分析

表3 濕度的單因素回歸分析

方差檢驗dfSSMSFSignificance F回歸分析1466.5104466.51036379.437682662.03992E-10殘差34199.67045.87265826總計35666.1807

Coefficients標準誤差t StatP-valueIntercept31.5596082.59629612.15562716.29424E-14組-0.3434499870.038535-8.9127822.03992E-10

圖4 濕度對熱流密度的回歸擬合曲線

上述分析可知，濕度存在對傳熱的影響。然而，這只是對濕度的單因素分析，還不能排除其他因素的影響，即是否存在其他因素與濕度之間交互作用，綜合影響了傳熱？大平壁傳熱中溫度是影響傳熱的主要因素，在復合墻體的夾層空間內溫度的變化可以引起濕度的變化，因此實驗中我們同步采集了空氣間層溫度的數據。以下是對空氣間層濕度、溫度雙重影響的傳熱進行統計分析。

2.2 溫濕度的雙因素統計分析

雙因素分析目的是分離出溫度因素對實驗結果的影響，從而檢驗出濕度對傳熱影響的有效性。因此，首先對溫濕度進行雙因素回歸分析，然后再對溫度進行單因素回歸分析，比較兩次分析的結果，得出是否存在濕度影響傳熱的結論，Excel中回歸分析的結果如表4和表5所示。

表4 溫濕度的雙因素回歸分析

方差檢驗dfSSMSFSignificance F回歸分析214056.027028.011157.65084.89E-59殘差85838249.344.5796總計86052305.32

Coefficients標準誤差t StatP-valueIntercept-80.48128.051169-9.996212.49E-22溫度2.3647570.16701914.15864.72E-41濕度0.2144250.0487454.3989471.22E-05

表5 溫度的單因素的回歸分析

方差檢驗dfSSMSFSignificance FdfSSMSFSignificance F回歸分析113193.3813193.38289.76083.26E-56殘差85939111.9445.53195總計86052305.32

Coefficients標準誤差t StatP-valueIntercept-48.19283.343534-14.41372.42E-42溫度1.7900540.10515917.022363.26E-56

比較表4和表5的回歸平方和看出，溫濕度的雙因素回歸平方和為14056.02，僅有溫度的單因素回歸平方和為13193.38，說明濕度因素的加入的確影響了傳熱，而且是獨立于溫度因素的。表4中擬合的線性方程溫度項系數(Coefficients)為2.36，濕度項系數(Coefficients)為0.21；溫度項偏回歸系數t檢驗值(t Stat)為14.16，濕度項偏回歸系數t檢驗值(t Stat)為4.40，說明溫度比濕度更大地影響了傳熱。另外，濕度項回歸系數在表3中是負值，加入溫度因素以后成正值(見表4)，說明溫度也影響了濕度的變化。

據以上分析可知，溫度對傳熱的影響起主導作用，而濕度也獨立地影響傳熱。

3 傳熱機理分析

通過以上統計分析可知，空氣間層的濕度是獨立影響復合保溫墻體的傳熱的，并且兩者呈現負相關的特性。濕度是如何影響傳熱的，下面從導熱、對流及輻射三種基本傳熱方式上分別分析濕度影響傳熱的機理。

3.1 導熱

空氣間層的導熱屬于氣體導熱問題，氣體導熱機理是氣體不規則熱運動時相互碰撞的結果?？諝鉂穸茸兓瘯r，空氣中水蒸氣組分會有變化，則空氣中水蒸氣的氣體分子數目也會變化，從而影響整個濕空氣氣體分子的數目，進而影響導熱。然而氣體的導熱系數很小，干空氣20 ℃的導熱系數為0.0259 W/(m·K)，同樣條件下的水蒸氣為0.0194 W/(m·K)[7]，即使濕度變化引起了濕空氣氣體分子數目的變化，這個變化對導熱的影響也是微乎其微的。因此，濕度的變化對空氣間層的導熱影響很小，可以忽略。

3.2 對流

實驗的復合墻體薄空氣間層厚度約為30 mm，上下兩根龍骨距離約為500 mm，厚度與高度的比值為0.06，遠小于無線大空間自然對流要求的下限值0.3，所以是有限空間的自然對流問題，此時的對流傳熱與流體性質、兩壁溫差、空間位置、形狀、尺寸比例的等多種因素的影響。實驗中多數情況下空氣間層兩壁的溫差都在10 ℃以內，取上限10 ℃，空氣溫度取均值30 ℃，厚度30 mm，結合其他常量計算出的格拉曉夫準則數僅為3.98×10-11，遠小于對流發生的下限值2000，認為這種情況下的空氣間層沒有對流傳熱[8]。Gallegos-Munoz Armando 用CDF數值模擬也說明了當空氣間層厚度在30 mm以下時對流傳熱很小[9]。實驗中還采集了空氣間層內部的空氣流速，數值在0到0.08 m/s之間，風速很小，不足以產生氣流流動。

既然薄空氣間層內不具備對流換熱的條件，那么濕度的變化也不會影響對流傳熱了。即使具備了對流換熱的條件，由于濕度的變化并不引起流速的改變，所以也不會對對流傳熱產生影響的。

3.3 輻射

復合墻體薄空氣間層的輻射傳熱屬于無限大平行平板間的輻射傳熱問題。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，兩壁的溫差是形成輻射傳熱的主要因素，然而間層中的濕空氣卻不能視為透明體，它吸收了部分的輻射而形成了輻射傳熱熱阻，從而影響了輻射傳熱。

常見的建筑材料在常溫下的都是以長波輻射的方式進行熱輻射，其發射率在0.8～0.96之間，波長范圍在0.76～100 μm[10]，水蒸氣對熱輻射具有吸收能力的光帶主要集中在波長2.55～30 μm范圍內[11]。由此可以看出，建筑墻體發射的熱射線是很容易被水蒸氣吸收的。

當薄空氣間層內的濕度變化時，其內的水蒸氣含量也隨之變化。此時從空氣間層的高溫壁面向低溫壁面的輻射傳熱就會受到空氣中水蒸氣的影響，在溫度不變的情況下，當濕度增加時，水蒸氣含量增加，吸收輻射熱增強，輻射傳熱減弱；反之則輻射傳熱增強。前述實驗結果的濕度單因素統計分析也反映了濕度與傳熱的負相關特性，這主要是濕度對輻射傳熱造成了顯著的影響。

4 結論

根據以上分析得出如下結論：復合保溫墻體薄空氣間層空氣濕度的變化獨立地影響著墻體的傳熱，兩者呈現負相關變化，其影響機理主要是阻礙了輻射傳熱。由此可知，在具有外保溫結構的建筑墻體傳熱計算中應當考慮空氣間層濕度的影響。

需要說明的是，本文所分析的實驗數據空氣間層濕度變化范圍在40%和90%之間，并未達到飽和，這和復合墻體良好的密封結構有關，也與復合墻體冷側壁溫沒有低于間層空氣露點溫度有關。如果墻體結構出現滲漏造成雨雪水侵入間層，或者冬季極端低溫下造成冷側壁溫低于間層空氣露點溫度時，出現水蒸氣凝結的相變情況，將使傳熱條件發生變化，則需要進一步的實驗和分析研究。