低压和常压条件下墙体内表面材料吸放湿对湿环境的影响研究

Study on influence of moisture absorption and desorption of wall inner surface materials on humid environment under low and normal pressure conditions

摘要

目前，针对不同压力下材料的吸放湿特性，以及加湿过程中墙体内表面材料对室内湿环境的影响，相关研究尚显不足。通过实验对比了六种墙体内表面材料在低压（60 kPa）和常压（95 kPa）条件下的等温吸放湿曲线和吸放湿速率，并通过数值计算探究了墙体内表面材料吸放湿作用对室内湿度的影响。结果表明，不同湿度区间内，环境压力对同一材料等温吸放湿曲线的影响程度不同：在低中湿阶段，低压下的平衡含湿量高于常压；材料的吸放湿速率随压力的降低而增加；考虑吸放湿作用时，低压下的室内湿度提升难度高于常压，且低压下室内湿度的响应时间比常压长1小时左右。研究旨在完善建筑材料在不同环境压力下的湿物性参数，为室内湿环境的精确控制提供参考。

Abstract

There are still insufficient researches on the moisture absorption and desorption characteristics of materials under different pressures and the influence of wall inner surface materials on indoor wet environment during humidification. This study experimentally compared the isothermal moisture absorption and desorption curves and rates of six types of wall surface materials under low pressure （60 kPa） and normal pressure （95 kPa） conditions， and numerically investigated the effect of moisture absorption and desorption of these materials on indoor humidity. The results indicate that the impact of environmental pressure on the isothermal adsorption-desorption curves of the same material varies across different humidity ranges： in the low to medium humidity stages， the equilibrium moisture content under low pressure is higher than that under normal pressure. The moisture sorption and desorption rate of materials increases with the decrease of ambient pressure. The moisture absorption and desorption rates of the materials increase as the pressure decreases When considering the moisture absorption and desorption effect， it is more difficult to increase indoor humidity under low pressure than under normal pressure， and the response time of indoor humidity under low pressure is about one hour longer than that under normal pressure. This study aims to refine the moisture properties of building materials under different environmental pressures and provide a reference for the precise control of indoor humidity environments.

Graphical abstract

关键词

低气压 / 墙体内表面材料 / 吸放湿性能 / 室内湿环境

Key words

low atmospheric pressure / inner surface of wall / moisture absorption and desorption performance / indoor humidity environment

在采暖季，室内温度的升高通常会加剧空气干燥，青藏高原地区冬季室内最低相对湿度仅为5.5%^［1］，远低于30%的人体舒适下限^［2］，相对湿度过低会导致皮肤干裂、喉咙疼痛，鼻孔出血等生理性病变^［3］，因此，在采暖季采取加湿措施对于营造舒适的室内环境至关重要。

现有研究表明，在高湿环境下，室内空气的除湿过程中，墙体内表面材料的吸放湿过程对湿负荷及室内湿度具有重要影响。室内表面材料可吸收约三分之一的产湿量，且具备吸放湿能力的房间，其室内湿度波动幅度可比无此特性的房间减少10%^［4］，室内空气与吸湿结构之间的水分传递显著降低了湿度峰值，从而提升了居住舒适度并改善了空气质量^［5］。然而，在干冷地区的加湿过程中，针对墙体内表面材料吸放湿特性的研究仍较为有限。同时在高海拔地区，空气密度、水分扩散和蒸发速率^［6］、材料的吸放湿特性^［7-8］以及表面对流交换强度^［9］均会发生变化，从而使得吸放湿过程与常压地区存在显著差异。因此，探究低压条件下墙体内表面材料的吸放湿特性，具有重要的研究意义。

本文通过实验分析了6种墙体内表面材料在60 kPa和95 kPa条件下的等温吸放湿曲线和吸放湿速率，探讨低气压对材料吸放湿特性的影响，同时，结合计算案例，研究不同气压条件下吸放湿作用对室内湿度的影响。本研究旨在完善低气压环境下建筑材料的湿物性参数，并为高原地区建筑室内湿度的精准调控提供理论支持。

1 实验方法

1.1 实验材料

本文依据材料湿容（吸湿性）和汽阻因子（透湿性）的不同^［10］，以及材料的实际使用频率，选择瓷砖（低透湿性、低吸湿性）、石膏板（高透湿性、低吸湿性）、胶合板（低透湿性、高吸湿性），硅藻泥和硅酸钙板（典型调湿材料）以及水泥砂浆（传统内表面材料）六种材料进行实验。

根据GB/T 35166-2017《建筑材料及制品的湿热性能 吸放湿性能的测定 湿度反应法》^［11］和T-CECS 10203-2022《建筑材料湿物理性质测试方法》^［12］，对材料进行处理，材料尺寸为100 mm×100 mm，厚度与产品厚度一致，其中硅藻泥涂抹在保鲜膜包裹的纤维水泥板上。瓷砖一般可近似认为是绝湿材料^［13］，在本实验中用于和其他材料进行对照，材料具体参数见表1。

1.2 实验过程

在GB/T20312—2006《建筑材料及制品的湿热性能 吸湿性能的测定》^［14］中规定了两种测量建筑材料吸湿性能的标准方法：干燥器法和气候箱法。两种方法的区别在于维持温湿度的手段和精度不同。

（1）　气候箱法（低压实验）

低压实验采用气候箱法来营造所需环境，这种方法可以建立一个相对稳定的温湿度环境，模拟实验中的各种气候条件。为了研究低气压的影响，需要选择适当的压力条件，考虑到青藏高原平均海拔4 000 m以上，可取平均气压60 kPa为所研究的压力参数。本研究采用高原极端环境模拟舱营造低压环境以及特定温湿度工况，环境舱参数控制范围和精度满足实验要求，模拟舱及微环境舱中均设置传感器以检测环境压力及温湿度。

（2）　干燥器法（常压试验）

常压部分的实验在西安地区（95 kPa）进行，选用饱和盐溶液法营造目标相对湿度。依据《建筑材料及制品的湿热性能 吸湿性能的测定》选择相应的饱和盐溶液及控制湿度，在制备过程中，保证盐的重量比在给定温度下完全溶解的量大30%，确保溶液在实验过程中始终处于饱和状态，干燥器中也放置温湿度传感器以监测环境温湿度。低压和常压的实验布置如图1所示。

每种材料在低压和常压实验中分别制备三个尺寸相同的试件，将切割后的试件放入Binder FD115强制对流烘箱中进行干燥，为防止干燥过程对材料产生不可逆的结构变化^［15］，需针对不同材料选择合适的干燥温度。水泥、硅酸钙板和瓷砖三种材料需要在105 ℃下才可以完全去除内部的自由水和结晶水^［16］，而石膏板、胶合板和硅藻泥在105 ℃下会因失去结晶水从而使得孔隙率和孔隙结构发生改变，以及产生化学变化或降解^［17-18］，因此石膏板、胶合板和硅藻泥的干燥温度为70 ℃，硅酸钙板、水泥砂浆和瓷砖的干燥温度为105 ℃。待间隔24 h试件质量变化小于总质量的0.1%时即可认为干燥完成，记录干燥质量。然后除待测吸放湿表面外，试件其他表面均用铝箔作为防潮层包裹，至此预处理完毕。

随后将试件放入实验环境中，依据《建筑材料及制品的湿热性能 吸湿性能的测定》和《建筑材料及制品的湿热性能 吸放湿性能的测定 湿度反应法》中关于等温吸放湿曲线的测试要求，低压和常压实验的温度工况为23 ℃，相对湿度工况分别为：10%、30%、50%、70%、85%和95%。每8 h测量一次质量变化，待间隔至少24 h的连续三次称量，试样质量的变化小于总质量的0.1%时认为达到平衡，记录平衡质量，具体流程如图2所示。虽然实验是在23 ℃下进行的，但相关研究证明材料的等温吸放湿曲线在15~35 ℃的范围内受温度影响较小，且整体的吸放湿规律一致^［19-20］，因此本研究在变温条件下具有一定的可推广性。

2 环境压力对墙体材料吸放湿特性的影响

2.1 压力对材料吸放湿量的影响

通过不同拟合公式对实验数据进行拟合，结果如表2所示，对比发现Hailwood和Horrobin拟合公式的拟合效果最优。绘制60 kPa和95 kPa下不同材料的等温吸放湿曲线如图3所示，选择Hailwood和Horrobin拟合公式^［21］对数据进行拟合，拟合方程如式（1）所示。

u=\frac{h}{\mathrm{A}+\mathrm{B}h-\mathrm{C}{h}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：u为质量平衡含湿量，kg/kg；h为空气相对湿度，%；A，B，C为拟合系数。

对比不同压力下的吸放湿曲线可以发现，压力在不同湿度区间内对材料平衡含湿量的影响不同。其中瓷砖的含湿量在吸湿范围内极小，受实验不确定性的影响较大，无法获得较为可靠的结果。其余五种材料均呈现相同的规律，即在低相对湿度下，低压（60 kPa）的平衡含湿量大于常压（95 kPa），而在高相对湿度下，低压的平衡含湿量小于常压。将整个过程分为低湿（0%~30%）、中湿（30%~70%）和高湿（70%~95%）三个阶段，其中压力对材料平衡含湿量的影响在低湿和高湿阶段差异较大，材料在低湿阶段的平衡含湿量差异为23.51%~110.83%，在高湿阶段为3.57%~37.79%。原因在于，在低相对湿度时，低压下材料微小孔隙中的空气会被吸附水替代^［22］，导致材料的平衡含湿量较高。由BET多分子层吸附理论和开尔文方程可知，水分子首先逐层进行吸附，在高相对湿度时，材料孔隙内发生毛细凝结形成液态水，液态水的形成占据了孔隙空间，减少气态水的体积^［23］，材料孔隙内毛细作用增强，由于外部大气压力的不同，使得低压和常压下材料的平衡含湿量存在差异。通常对室内空气的加湿过程最高湿度不会超过70%，因此更关注压力在低湿和中湿阶段对材料平衡含湿量的影响。

对比不同材料可以发现，瓷砖作为对照组，其平衡含湿量极小，在除瓷砖外的五种材料中，水泥砂浆、硅藻泥和硅酸钙板曲线趋势较一致，胶合板的数值整体高于其他材料3~5倍，但曲线斜率较小，而等温吸放湿曲线的斜率也称为湿容，是单位相对湿度变化引起的材料升高或下降的含湿量，表征的是材料吸湿或放湿的能力。石膏板曲线斜率较大，其在中低湿度下含湿量不如其他材料，但在高相对湿度下其含湿量陡增，95%相对湿度下的含湿量是50%相对湿度下含湿量的4.6倍，原因可能是石膏板在中等相对湿度后易形成液态水^［9］。

此外，毛细滞后现象也是影响材料吸放湿能力的重要因素之一，会使得材料的放湿能力低于其吸湿能力，因此研究材料在不同压力下的吸放湿能力时，材料毛细滞后现象的变化也是需要考虑的重要因素之一，而目前鲜有针对不同压力下材料放湿曲线及毛细滞后现象的研究。由图3可以看出，大气压力降低时，压力对放湿过程的影响要大于对吸湿过程的影响，导致不同压力下的毛细滞后现象出现差异，并且对不同材料的影响不同。所有材料在低湿范围内均表现为低压下的毛细滞后现象强于常压，在高湿范围内均表现为常压下的毛细滞后现象强于低压，但整体差异并不明显。出现这种情况的原因在于低湿阶段，由于墨水瓶效应的影响，放湿过程中水分在较小的孔隙中无法完全排除，导致毛细滞后现象加剧^［24］。在高湿阶段，由开尔文方程可知，材料孔隙中蒸气压与外部压力的平衡共同影响液体的渗透，大气压力降低时毛细压力相对占优，湿组分在吸湿过程中更容易进入孔隙；而在放湿过程中，液态水的蒸发速率增加和液滴接触角减小等因素会导致多孔材料中液相的稳定性下降，使得低压下材料的平衡含湿量减小，最终导致在高湿阶段低压下的毛细滞后现象弱于常压。

已有研究大多聚焦于常压条件下材料的吸放湿特性，在高湿环境中，材料的平衡含湿量会急剧增加，这与本研究中常压条件下的结果一致。而目前针对低压条件下的相关研究较少，本研究在低压条件、中低相对湿度下的结论与相似研究中的结果一致^［22］。而本文在低压条件、高相对湿度（95%）下的测量值，与常压工况相差较大，且相较相关文献^［7，25］存在差异，原因可能由于在低压工况的实验时，低压舱所能控制的最高湿度为95%，且控制精度为±3%，导致实验过程中相对湿度未稳定维持在95%。同时需要说明的是，压力对材料平衡含湿量的影响与所选压力工况、环境温湿度以及材料种类等多种因素密切相关，当实验条件和工况不同时，甚至可能得到相反的结果^［25-26］。针对落叶松和胶合板等木材的研究，存在压力过低或温度过高等情况（实验温度为40~90 ℃，压力为0.02~0.08 MPa、相对湿度40%~90%），无法准确反映实际生活中墙体内表面材料的吸放湿性能，且由于木材具有细胞结构，其吸放湿过程与常规多孔建筑材料存在显著区别，而针对多孔建筑材料的研究仍处于起步阶段^［7］。

2.2 压力对材料吸放湿速率的影响

由于瓷砖在吸湿范围内含湿量极低，因此本文没有给出瓷砖的吸放湿速率曲线，图4以30%~50%湿度工况为例，对比了低压和常压下材料的吸放湿速率。可以发现，材料的吸放湿速率均呈现低压下的速率高于常压。初始吸湿阶段，低压的吸湿速率比常压高24.89%~82.07%，初始放湿阶段低压的放湿速率比常压高14.49%~51.86%。原因在于随着压力的降低，材料的水蒸气渗透系数增加^［27］，导致材料的湿扩散通量增加，最终使得低压下材料的吸放湿速率高于常压。另外，压力对六种材料吸湿速率的影响均大于对放湿速率的影响。

此外，五种材料在前24 h内吸放湿速率均快速下降，然后缓慢减少直至趋近于零，在24 h后，不同材料表现出的吸放湿潜力不同，这主要是由于在吸放湿初期，材料的吸放湿速率主要受到材料表面与环境之间的水蒸气分压力差的影响，但在后期，随着材料表面吸放湿引起的材料内部水分传递，吸放湿速率减小的幅度受到材料厚度和蓄湿容量的影响^［28］。

3 墙体表面材料对室内湿度调节的影响

3.1 计算实例

本节以普通办公建筑为对象，探究常压和低气压条件下墙体内表面材料吸放湿过程对室内湿环境的影响。选择EnergyPlus软件中的Combined Heat and Moisture Finite Element模型进行计算，该模型是一种热、空气和水分耦合传输（HAMT）模型，其精度和可靠性已得到广泛验证。建筑模型室内净尺寸为：5 m×3.2 m×3 m（长×宽×高），南向窗户尺寸为3 m×2.2 m，墙体构造由外到内依次为：50 mm水泥砂浆+70 mmXPS+200 mm加气混凝土+20 mm内表面层；屋顶构造由外到内依次为：40 mm花岗岩+20 mm水泥砂浆+100 mmXPS+20 mm水泥砂浆+100 mm钢筋混凝土+20 mm内表面层；地面构造由外到内依次为：20 mm水泥砂浆+70 mmXPS+20 mm水泥砂浆+10 mm花岗岩。案例中内表面层材料为硅酸钙板，由于有效渗透深度小于实验及计算案例中的材料厚度^［29］，因此硅酸钙板的等温吸放湿曲线采用实验结果，其余材料物理参数取自文献［30］。

采暖季建筑室内温度基本保持稳定，受室外影响较小；同时室外空气湿度较低，基本维持在20%~40%的范围内^［3］，由于温湿度较低，室外空气的含湿量较小，低湿空气在短期波动下无法通过围护结构传质影响墙体内表面湿度。因此，室外条件对吸放湿过程的影响可以忽略，案例主要关注墙体内表面材料对室内环境的影响。室内采用电加湿设备进行加湿，考虑到拉萨地区的实际工作时间，提前1 h开启加湿设备，将工作时间段设置为8：00~16：00。初始相对湿度为15%，目标相对湿度为50%，主要观察材料在中、低湿度下的吸放湿作用，同时设置相应的门窗渗透和自然通风。案例模拟了是否考虑墙体内表面吸放湿作用时室内湿环境的变化。

3.2 不同压力下吸放湿过程对室内湿度的影响

图5给出了60 kPa下考虑墙体内表面吸放湿过程时，加湿量及室内湿度的变化情况，模拟了三种额定加湿量工况。实际加湿量首先达到最大以满足目标相对湿度要求，而后逐渐减小，并维持在一定范围内波动，以平衡渗透、通风等因素的影响。当额定加湿量为750 g/h和1 000 g/h时，才可以达到目标相对湿度，取室内湿度达到50%后的时间段，计算实际加湿量波动的平均值可以发现，案例中加湿量需要大于576 g/h才可以达到50%的目标相对湿度。从室内湿度的变化情况可以看出，随着室内空气湿度的波动，墙体内表面材料在水蒸气分压力差的作用下循环进行吸湿和放湿过程。在高海拔地区，采暖季室内空气湿度通常较低，在进行加湿时室内空气湿度上升，墙体内表面材料进行吸湿直至平衡；当停止加湿后室内空气湿度逐渐下降，材料进行放湿。在加湿器关闭后，室内相对湿度先快速下降然后再逐渐降低，在关闭加湿器10 h后，室内相对湿度才下降至最低值，加湿量越大，室内最低相对湿度越高。

在可以满足目标相对湿度的750 g/h和1 000 g/h的加湿量下，图6对比了是否考虑吸放湿过程时室内湿度的变化。可以发现，在非加湿阶段考虑墙体内表面吸湿作用后，室内最低相对湿度提高3.79%~6.03%，提升幅度为28%~46%。并且由于材料放湿作用的存在，室内相对湿度变化相比于不考虑吸放湿过程存在延迟，在750 g/h加湿量下室内湿度的延迟时间约为1 h 30 min。随着加湿量的增大，加湿阶段室内湿度的延迟效应显著减小，但最低相对湿度却相应提高。

考虑既能满足目标相对湿度要求，延迟效应又比较明显的750 g/h的加湿量工况时，不同压力下考虑吸放湿与否的室内湿度变化，结果如图7所示。发现在低压下加湿过程中室内湿度的延迟效应更明显，常压下室内湿度的延迟时间仅为30 min左右，原因在于低压下材料吸放湿速率较大，在相同时间内加湿量中有较大部分进入内表面材料中，导致空气中的湿组分减少，从而在同一时间内低压下室内湿度变化的延迟效应更明显。同样，在低相对湿度下，材料在低压下的平衡含湿量较高，因此在非加湿阶段，材料所储存的水分含量增加，室内空气中的湿组分减少，导致低压下材料的放湿作用对室内最低相对湿度的提升效果比常压更小。在低相对湿度范围内，考虑墙体内表面吸放湿作用后，低压下室内最低相对湿度从14.86%提升到18.65%，常压下室内最低相对湿度从12.47%提升到20.42%。

空气温度主要通过影响水蒸气饱和分压力从而影响空气相对湿度，在数值计算过程中，室内空气温度主要在18.5~23.5 ℃之间，温度波动较小，对室内湿度的影响有限。同时，室内湿度还受到加湿器加湿、自然通风和材料吸放湿的影响，其中加湿器加湿和通风引起的湿波动占主导作用，因此温度变化对室内湿度的影响可以忽略。此外，图6和图7中不同工况下的室内空气温度基本一致，进一步说明了吸放湿作用对室内湿度的影响。

4 结论

本研究旨在探讨气压对墙体内表面材料吸放湿能力的影响，分析了石膏板、胶合板、硅藻泥、硅酸钙板、水泥砂浆和瓷砖六种材料的等温吸放湿曲线和吸放湿速率。此外，以硅酸钙板为例，结合计算实例，研究了不同压力下墙体内表面吸放湿对室内湿度的影响。研究结论如下：

（1）气压变化对不同材料平衡含湿量的影响基本一致。在低相对湿度下，低压（60 kPa）时平衡含湿量大于常压（95 kPa）；而在高相对湿度下，低压时平衡含湿量小于常压。不同材料在低湿阶段的平衡含湿量差异为23.51%~110.83%，在高湿阶段的差异为3.57%~37.79%。

（2）低压下材料的吸湿速率比常压高24.89%~82.07%，放湿速率高14.49%~51.86%。且材料的吸湿速率受压力的影响大于放湿速率。

（3）低压条件下，材料放湿作用对室内最低湿度的提升效果小于常压，但吸湿作用导致的延迟时间明显高于常压。案例中加湿量大于576 g/h时，考虑墙体内表面吸放湿作用后，低压下室内最低相对湿度提升3.79%，而常压下提升了7.95%；低压下达到目标相对湿度的时间比常压下增加1小时左右。

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基金资助

国家自然科学基金(52322801)

国家自然科学基金(52178088)

西藏自治区科技计划重点研发及转化重点专项(XZ202501ZY0121)

那曲市级科技计划项目(NQKJ-2024-13)