建筑调湿围护结构吸放湿特性及规律研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.76MB 109 页 15积分

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摘要

建筑材料一般会具有一定的吸放湿性，从而对室内的湿环境起到一定的调节

作用。近年来，越来越多的新型建筑材料问世，有的建筑材料的调湿性能会优于

一般传统的建筑材料。新型的建筑调湿围护结构也开始出现在实际建筑当中，调

湿围护结构不仅对于室内相对湿度的控制有着很好的效果，而且更加保证了围护

结构的使用寿命及热工性能。然而，目前大部分的研究都是关于调湿材料的开发

和对调湿材料吸放湿特性的研究，关于调湿材料与围护结构构成的调湿围护结构

的吸放湿特性，以及各种实际因素对调湿围护结构吸放湿特性影响的研究还较少。

因此，本文对调湿围护结构的吸放湿特性及规律进行了实验研究，对调湿围护结

构的调湿效果及其受各个因素影响的程度进行了分析。

首先，建筑围护结构材料绝大多数都是多孔介质材料，因此以多孔介质材料

自身的特性为基础，分析了建筑调湿围护结构湿传递的基本原理，列出建筑调湿

围护结构湿传递的基本方程。

其次，调湿材料的等温吸放湿特性以及水蒸气渗透系数都是材料湿物性的重

要参数。由于调湿围护结构的吸放湿特性及规律主要是由调湿材料湿特性所决定

的，所以本文对三种典型的调湿材料——硅藻泥抹面板、纸面石膏板和玻镁板进

行了等温吸放湿曲线的测试实验和水蒸气渗透系数测试实验。

通过等温吸放湿曲线测试实验的结果表明，三种材料在相对湿度 97.42%时，

平均平衡含湿量达到最大，分别为 0.135kg/kg、0.236kg/kg、0.276kg/kg；在相对湿

度22.75%时，平均平衡含湿量最小，分别为 0.028kg/kg、0.054kg/kg、0.019kg/kg，

玻镁板材料相比硅藻泥抹面板及纸面石膏板有着更出色的吸放湿能力。

通过水蒸气渗透系数测试实验可知，三种调湿板材水蒸气渗透系数在 RH0~80%

内的积分平均值分别为 4.1×10-5 g/(m·h·Pa)、3.09×10-5 g/(m·h·Pa)、2.46×10-5

g/(m·h·Pa)；在 RH80~100%内，积分平均值分别为 7.14×10-5 g/(m·h·Pa)、6.21×10-5

g/(m·h·Pa)、4.28×10-5 g/(m·h·Pa)。三种典型的调湿材料的水蒸气渗透系数之间的大

小关系为 WVP 硅藻泥>WVP 纸面石膏>WVP 玻镁板，与其他常见建筑材料相比，调湿材料的

水蒸气渗透系数处于较低水平。

然后，本文设计并制作了调湿板调湿性能测试实验箱，探究了调湿板在实际

应用当中的调湿效果，得到了在不同工况下模拟小室内相对湿度变化的规律，分

析了各个因素对调湿板调湿效果的影响程度。实验结果表明，硅藻泥抹面实验箱

内的平均最大相对湿度为 62.6%，纸面石膏板实验箱内的平均最大相对湿度为

64.4%，玻镁板实验箱内的平均最大相对湿度为 56.7%，对比实验箱内的平均最大

相对湿度为 70.9%。调湿板材对室内相对湿度控制能力依次为：玻镁板>硅藻泥抹

面板>纸面石膏板；调湿板材对室内相对湿度的调节效果受各个因素的影响程度为

依次为：湿源运行>通风换气>湿源面积>调湿板材面积。对调湿材料更广泛地应用

于围护结构当中，以及建筑调湿围护结构对室内湿环境的调节具有指导意义。

最后，通过 WUFI@plus 模拟发现虽然调湿围护结构起到了一定的调湿效果，

但是室内相对湿度仍有不适宜的时期，需要对上海、北京的建筑室内分别配备除、

加湿设备才能完全保证室内相对湿度处于适宜水平。所以，调湿围护结构对于控

制室内相对湿度、降低室内湿负荷、减少湿处理设备的能耗有着很大的贡献。

关键词：调湿围护结构吸放湿特性水蒸气渗透系数影响因素

室内湿度

ABSTRACT

Building materials can control the relative humidity of indoor air more or less

because of their moisture absorption and desorption characteristic. Recently, more and

more building humidity controlling materials are in the market, which the humidity

control performance of are better than the traditional building materials.The humidity

controlling building envelope can not only control the indoor humidity but also ensure

the working life and the thermal performance of the building envelope. However, the

majority of researches concentrated on the development and the moisture absorption

and desorption characteristic of the building humidity controlling materials, but the

researches for the actual factor influence to the moisture absorption and desorption

characteristic of the humidity controlling materials are few. Therefore, it’s necessary to

study on the moisture absorption and desorption characteristic and rule of humidity

controlling building envelope.

Firstly, the majority of building envelope materials is porous medium materials.

Therefore, the fundamentals of the moisture transfer in the building humidity

controlling envelope have been analyzed and the basic equations have been listed which

are based on the properties of the porous medium materials.

Secondly, the isothermal moisture absorption and desorption characteristic and the

water vapor permeability are the important parameters of the materials. In this paper, the

experiment of the isothermal moisture absorption and desorption characteristic and the

water vapor permeability for MgO boards, diatom plastered boards and gypsum boards

were finished.

According to the results of the isothermal moisture absorption and desorption

characteristic experiment, the average EMC of the three materials are 0.135kg/kg,

0.236kg/kg, 0.276kg/kg respectively which are maximum in 97.42% RH. The average

EMC of three materials are 0.028kg/kg, 0.054kg/kg, 0.019kg/kg respectively which are

minimum in 22.75% RH. The moisture absorption and desorption characteristic of the

MgO board is more outstanding than the other two materials.

According to the results of the experiment, the integral average water vapor

permeability of the three materials are 4.1×10-5 g/(m·h·Pa), 3.09×10-5 g/(m·h·Pa),

2.46×10-5 g/(m·h·Pa) respectively in the range from 0 to 80%RH. The integral average

water vapor permeability of the three materials are 7.14×10-5 g/(m·h·Pa), 6.21×10-5

g/(m·h·Pa), 4.28×10-5 g/(m·h·Pa) respectively in the range from 80% to 100%RH. The

water vapor permeability of diatom plastered boards is higher than the water vapor

permeability of gypsum boards, and the water vapor permeability of MgO boards is the

lowest in three materials. Compared with other common building materials, the water

vapor permeability of the humidity controlling materials is in a low level.

Thirdly, in this paper, a humidity controlling board experiment box was designed.

It explored the effects of humidity controlling building envelope in the actual

application, and which obtained the rule of the varied relative humidity in the small box

under different conditions, and it also made an analysis of the various factors that

influenced the humidifying effect of experimental envelope. According to the results of

the experiment, the humidity controlling capacity of the materials to the indoor relative

humidity were MgO board, diatom plastered board and gypsum board; the humidity

control board on the indoor relative humidity is adjusted by the following factors which

are the intermittent wet source, the intermittent ventilation, the area of the water and the

area of the humidity controlling materials. It is meaningful to the humidity controlling

materials widely applied in the envelope. This research has a guiding significance in the

humidity controlling building envelope influence on the indoor relative humidity.

Finally, according to the results of the simulation which was done with the

software WUFI@plus, the humidity controlling building envelope could control the

relative humidity of the indoor air indeed, but it sill needed to be equipped some

machines in rooms to adjust the relative humidity of the indoor air in Shanghai and

Beijing. Therefore, humidity controlling building envelope contributed much to

controlling the relative humidity of the indoor air, reducing the indoor humidity load

and saving energy.

Key Word: Humidity controlling building envelope ，Moisture

absorption and desorption characteristic，Water vapor permeability，

Effect factors，Indoor humidity

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 研究背景 ..................................................... 1

1.1.1 围护结构内湿积累对其性能的影响 ........................ 3

1.1.2 围护结构对室内湿环境的影响 ............................ 3

1.2 国内外研究现状 ............................................... 4

1.2.1 调湿材料的研究现状 .................................... 4

1.2.2 围护结构吸放湿特性对室内湿环境的影响研究现状 .......... 6

1.3 本课题研究路线 ............................................... 7

1.4 本文研究的内容 ............................................... 8

第二章建筑调湿围护结构湿传递基本原理及方程 ........................ 10

2.1 调湿围护结构湿传递的基本原理 ................................ 10

2.1.1 围护结构传湿机理 ..................................... 10

2.1.2 调湿材料的调湿机理 ................................... 11

2.2 调湿围护结构与室内空气湿传递分析 ............................ 12

2.2.1 调湿围护结构室内空气湿平衡方程 ....................... 13

2.2.2 调湿围护结构内表面吸放湿量计算 ....................... 14

2.3 围护结构内热湿传递基本方程 .................................. 15

2.4 本章小结 .................................................... 16

第三章调湿材料等温吸放湿曲线测试的实验研究 ........................ 17

3.1 实验材料及主要仪器 .......................................... 17

3.1.1 实验材料 ............................................. 17

3.1.2 实验试样的制备 ....................................... 18

3.1.3 主要实验仪器 ......................................... 20

3.2 实验标准及方法 .............................................. 21

3.2.1 实验标准 ............................................. 21

3.2.2 实验方法 ............................................. 21

3.3.3 温度及相对湿度环境的控制 ............................. 22

3.3 实验数据整理与实验结果分析 .................................. 23

3.3.1 实验数据整理分析 ..................................... 23

3.3.2 实验误差分析 ......................................... 27

3.3.3 等温吸放湿曲线的对比分析 ............................. 29

3.3.4 等温吸湿曲线的拟合分析 ............................... 32

3.4 本章小结 .................................................... 34

第四章调湿材料水蒸气渗透系数测试的实验研究 ........................ 36

4.1 实验材料及主要仪器 .......................................... 36

4.1.1 实验材料 ............................................. 36

4.1.2 实验试样的制备 ....................................... 36

4.1.3 主要实验仪器 ......................................... 38

4.2 实验标准及方法 .............................................. 38

4.2.1 实验标准 ............................................. 38

4.2.2 实验方法 ............................................. 39

4.2.3 温度及相对湿度环境的控制 ............................. 41

4.3 实验数据整理与实验结果分析 .................................. 41

4.3.1 实验数据整理分析 ..................................... 41

4.3.2 实验误差分析 ......................................... 44

4.3.3 水蒸气渗透系数的曲线拟合及对比分析 ................... 46

4.3.4 建筑材料水蒸气渗透系数的比较 ......................... 49

4.4 本章小结 .................................................... 50

第五章调湿板调湿性能的实验研究 .................................... 51

5.1 实验材料及仪器 .............................................. 51

5.1.1 实验材料 ............................................. 51

5.1.2 主要仪器 ............................................. 51

5.2 实验方案 .................................................... 52

5.2.1 调湿板调湿性能测试实验箱设计 ......................... 52

5.2.2 实验工况设计 ......................................... 53

5.3 实验数据整理与结果分析 ...................................... 54

5.3.1 实验箱内相对湿度的变化分析 ........................... 54

5.3.2 实验箱内湿源散湿量分析 ............................... 71

5.3.3 实验工况对比分析 ..................................... 72

5.3.4 不同因素对调湿效果的影响 ............................. 82

5.4 本章小结 .................................................... 83

第六章调湿围护结构对室内相对湿度影响的 WUFI®plus 模拟 ............. 85

6.1 WUFI®plus 软件介绍 ......................................... 85

6.2 建筑模型及模拟工况 .......................................... 86

6.3 基本参数设置 ................................................ 86

6.3.1 地理信息及气象参数 ................................... 86

6.3.2 建筑围护结构参数 ..................................... 88

6.3.3 室内负荷设置 ......................................... 91

6.4 模拟结果及对比分析 .......................................... 91

6.4.1 上海、北京地区 4月份温湿度变化 ....................... 91

6.4.2 相同地区不同类围护结构建筑室内相对湿度变化对比 ....... 92

6.4.3 不同地区同类围护结构建筑室内相对湿度变化对比 ......... 93

6.5 本章小结 .................................................... 95

第七章结论与展望 .................................................. 96

7.1 主要结论 .................................................... 96

7.2 不足与展望 .................................................. 97

参考文献 ............................................................ 98

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 ............................. 103

致谢 ............................................................. 104

第一章绪论

1.1 研究背景

建筑材料一般会具有一定的吸放湿性，从而对室内的湿环境起到一定的调节

作用。近年来，越来越多的新型建筑材料问世，有的建筑材料的调湿性能会优于

一般传统的建筑材料。新型的建筑调湿围护结构也开始出现在实际建筑当中，调

湿围护结构不仅对于室内相对湿度的控制有着很好的效果，而且更加保证了围护

结构的使用寿命及热工性能。日本学者西藤宫野[1]等最早提出了调湿材料这一概念，

是指借助调湿材料对水蒸气的吸放湿特性而不采用其他的加、除湿设备或能源等，

自动地感应室内空气的湿度变化，从而自动调节室内空气相对湿度的多孔材料。

调湿围护结构即是以调湿材料结合传统围护结构所构成的具有被动调湿效果的新

型围护结构，它不仅有着一般建筑围护结构所具有的作用，而且还具有被动调节

室内湿度的功能。研究调湿围护结构的吸放湿特性及规律，不仅有助于我们对调

湿围护结构的理解和认识，从而提高调湿围护结构的调湿效果，并且对于调湿围

护结构的实际应用的设计、使用和维护过程中的防潮等工程领域，有着非常深远

的意义。

目前，大多数的研究都是对于调湿材料的开发，和对调湿材料吸放湿特性的

研究，而对于调湿材料与围护结构形成的调湿围护结构的吸放湿特性，以及各种

实际因素对调湿围护结构吸放湿特性影响的研究还较少[2]。因此，很有必要对调湿

围护结构的吸放湿特性及规律进行研究，得到各影响因素与吸放湿特性之间的定

量关系，以便将调湿围护结构更好的应用于实际工程中。

大多数的建筑围护结构都是典型的多孔材料，随着环境温度及湿度等因素的

变化，这些多孔材料可以吸收或者释放一定量的水分，而调湿材料则具有更为显

著的调节作用，因此室内相对湿度变化受到建筑调湿围护结构的吸放湿特性及规

律的影响，愈来愈值得人们的关注。

过高或者过低相对湿度的室内环境，均可能对人体健康产生不良的影响。室

内相对湿度过高，则会直接影响到人体自身的温控能力，体温会因为散热不良而

升高，令人产生胸压、胸闷、头晕[3]等症状，室内墙壁表面产生霉菌同样主要是因

为室内相对湿度过高所造成的，进而对空气质量造成了严重的污染 [4]。室内相对

湿度过低，对人体直接造成的影响有引发或加重支气管炎、支气管哮喘等呼吸系

统的疾病，同时人体呼吸系统的免疫力也会降低[3]。加拿大学者 Anthony V.Arundel

等[5]综合了各种影响因素, 考虑湿度对人体发病、微生物的生长以及物品发霉变质

等各种影响后, 推荐最佳的相对湿度范围在 40% ~ 60%之间（如图 1）。我国国家

上海理工大学硕士学位论文

标准《采暖通风与空气调节设计规范》对空调室内相对湿度舒适范围有如下规定[6]：

夏季湿度 40%—65%，冬季湿度 30%—60%。有研究表明，室内表面材料可以吸收

室内产湿量的三分之一[7]，因此研究调湿围护结构的吸放湿特性及规律，可以利于

更好地控制室内相对湿度处于适宜水平，保持房间内空气有着良好的品质。

图1-1 相对湿度对环境与健康的影响

本课题主要针对三种典型的调湿材料——硅藻泥、纸面石膏板、玻镁板（氧

化镁板）及所构成的调湿围护结构的吸放湿特性及规律进行研究。硅藻泥作为纯

天然的调湿材料，主要用于室内内墙的装饰壁材，具有调节湿度、杀菌除臭等功

效。纸面石膏板则为传统的调湿材料，是以建筑石膏（CaSO4）为主要原料，掺加

一定量添加剂和纤维作为板芯，特制板纸作为护面，经过一定的加工工艺制作的

板材，可在一定范围内调节室内湿度，具有质轻、防潮等特点。玻镁板为近年来

的新型复合材料，采用特殊的生产工艺加工而成，具有高强质轻、节能环保等特

点。目前，这三种材料在建筑工程尤其是围护结构当中应用颇多，并且都有着节

能环保、调节室内湿度的特点，但是调湿围护结构在实际室内环境中所引起的相

对湿度的变化有待研究。目前，湿负荷计算主要包含三个方面，即新风湿负荷、

室内设备散湿以及人体散湿所产生的湿负荷，然而并没有将建筑围护结构的传湿、

围护结构内表面的吸放湿以及室内设备和居家物品的吸放湿对湿负荷的影响考虑

到计算当中，因此这样计算得出的湿负荷并不能够反应出实际的情况。所以，对

调湿围护结构的吸放湿特性及规律的研究，不仅有利于准确地计算室内的湿负荷，

而且对于发展新型调湿围护结构有着重要意义。

第一章绪论

1.1.1 围护结构内湿积累对其性能的影响

在实际的环境当中，空气中的水蒸气一直在我们周围。由于采暖及空调的使

用，围护结构的两侧及其内部一般都会存在温度差、水蒸气分压力差或者水蒸气

密度差，这样就会发生水蒸气的扩散现象。当水蒸气在这些作用下透过建筑维护

结构时，在未达到露点温度的情况下，这些水分是不会凝结析出的。但是，实际

中存在的水分的传递量仍可能很大。在我国，无论寒冷和严寒地区，还是夏热冬

冷地区和夏热冬暖地区，建筑围护结构的结露现象都会发生。如果水分在建筑围

护结构的表面发生凝结，则较为容易被人发现，但是在表面发生的凝结水一般可

能通过毛细作用进入墙体内部，而建筑围护结构内部水分的凝结不易被察觉，这

样对墙体造成的损害却更为严重。建筑围护结构内的湿积累不只会对建筑物的表

面造成剥蚀、构件损坏等现象，同样会造成建筑材料保温性能的下降、建筑材料

的强度降低，严重的影响了围护结构的使用性能和使用寿命，对实际的工程建设

造成严重的影响。

工程师在设计建筑围护结构的过程中更多的是凭借经验，却并没有对湿传递

和围护结构所具有的吸放湿特性对围护结构的影响进行准确地计算。而围护结构

长期处于潮湿的状态，不仅对其工程的耐久性造成不利影响，同时会导致围护结

构的内部发生霉变现象，对室内的空气质量造成污染。例如，在广州地区，春夏

季环境温湿度比较高，而秋冬季天气干燥。常见的多孔建筑材料——加气混凝土

砌块的干燥收缩性受环境湿度变换的影响非常大，当春夏季时砌块长期处于高湿

环境，材料的含湿量较高，其中的水分难以挥发，等到秋冬季来临，天气变干燥，

材料含水量会急剧下降，干燥收缩就会引起墙体表面抹灰层开裂、空鼓，而加气

混凝土本身甚至会开裂损坏。

对于有保温层的围护结构，围护结构的湿积累则会对保温材料的保温性能造

成不利影响。但是在寒冷地区，季节性的冻融过程将直接限制着热、湿传递，特

别是冻胀现象会造成破坏性的挤压应力，严重对建筑围护结构的使用性能造成不

良影响[8]。因此，研究建筑调湿围护结构的湿传递的特性并应用于建筑围护结构的

设计、使用以及隔热、防潮等工程领域具有重要的现实和社会意义。

1.1.2 围护结构对室内湿环境的影响

根据世界卫生组织统计表明，世界上至少有十亿人依然生活在不健康的室内

环境之中。所以发掘和运用建筑环境中的物理规律从而可持续的优化我们的室内

居住、工作及生产环境具有极其重要的意义，也是每一个建筑环境行业工作者所

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摘要：

摘要建筑材料一般会具有一定的吸放湿性，从而对室内的湿环境起到一定的调节作用。近年来，越来越多的新型建筑材料问世，有的建筑材料的调湿性能会优于一般传统的建筑材料。新型的建筑调湿围护结构也开始出现在实际建筑当中，调湿围护结构不仅对于室内相对湿度的控制有着很好的效果，而且更加保证了围护结构的使用寿命及热工性能。然而，目前大部分的研究都是关于调湿材料的开发和对调湿材料吸放湿特性的研究，关于调湿材料与围护结构构成的调湿围护结构的吸放湿特性，以及各种实际因素对调湿围护结构吸放湿特性影响的研究还较少。因此，本文对调湿围护结构的吸放湿特性及规律进行了实验研究，对调湿围护结构的调湿效果及其受各个因素影响的程度进...

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