不同含水率下生土導(dǎo)熱系數(shù)測試及對建筑能耗的影響

劉大龍++趙輝輝++劉向梅++何泉

摘要：為研究不同含水率對生土材料熱工性能及對生土建筑能耗的影響，分別從陜西西安、新疆吐魯番、西藏拉薩采集當?shù)赝翗硬⒓庸こ赏幻芏燃壍耐僚髟嚰?，測試了從絕干到濕飽和狀態(tài)下各種生土導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律。采用建筑能耗動態(tài)模擬結(jié)合敏感性分析，研究了上述3種土樣在不同含水率下導(dǎo)熱系數(shù)變化對建筑能耗的影響規(guī)律。結(jié)果表明，含水率與生土導(dǎo)熱系數(shù)成線性相關(guān)；含水率對生土建筑耗熱量的影響具有顯著的地域性差異；新疆生土在墻體濕度增大情況下建筑能耗增加幅度最小。

關(guān)鍵詞：生土材料；含水率；導(dǎo)熱系數(shù)；建筑采暖能耗；敏感性分析

中圖分類號：TU111.2文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）01002006

收稿日期：20160604

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51590913、51578439）

作者簡介：劉大龍（1976），男，博士，副教授，主要從事建筑能耗模擬研究，（Email）coffeevc@xauat.edu.cn。

Received：20160604

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No.51590913，51578439）； Postdoctoral Science Foundation of Shaanxi Province

Author brief：Liu Dalong（1976），associate professor，PhD，main research interest：building energy simulation， （Email）coffeevc@xauat.edu.cn.Thermal conductivity test of adobe materials with different moisture

content and its effect on building energy consumption

Liu Dalong，Zhao Huihui，Liu Xiangmei， He Quan

（School of Architecture， Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，P.R. China）

Abstract：The soil samples collected respectively from Xi'an in Shanxi， Turpan in Xinjiang and Lhasa in Tibet were processed into three types of adobe specimens according to the same density level to study the effects of different moisture content on the thermal performance of raw soil materials and energy consumption of raw soil building. Then the thermal conductivities of these samples were tested from the vast dry to wet saturated state， and the influence regulation of changes of raw soil thermal conductivity on heating energy consumption in different moisture rate conditions was studied with methods of dynamic energy simulation and sensitivity analysis. The results showed that： There is a linear correlation between moisture content and raw soil thermal conductivity； The regional differences of influence to moisture content on raw soil building heating energy consumption were very significant； In the high humidity conditions， heating energy consumption of Xinjiang adobe building had a minimum amplitude with the addition of moisture content.

Keywords：adobe material； moisture content； thermal conductivity； building heating energy consumption； sensitivity analysis

生土是中國西部地區(qū)最常用的民居建筑材料，具有儲存和調(diào)控熱量的能力，是很好的熱惰性材料[1]。生土建筑具有適應(yīng)西部氣候冬暖夏涼，經(jīng)濟實用、建造簡便等眾多優(yōu)點。然而，生土材料吸水性很強，在受潮變濕之后，其保溫隔熱性能顯著降低。近年來受氣候變暖的影響，中國西部地區(qū)的降雨量均有逐漸上升的趨勢，其中新疆地區(qū)的降雨量變化傾向率在0.5～2.9 mm/a之間，西藏多年平均降雨量傾向率約為1.25 mm/a[23]。傳統(tǒng)意義上西部地區(qū)干旱半干旱的氣候特征正悄然變化。因此，研究生土材料在濕度增大情況下導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律及對建筑能耗影響，對于廣大西部地區(qū)眾多的生土建筑可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

晉華等[46]等采用熱探針法對粘土、砂土以及工程常用土的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化做了相關(guān)研究。傅志前等[7]對不同含水率的麥秸稈磚墻導(dǎo)熱系數(shù)進行了研究。為提升生土材料的熱學(xué)和力學(xué)性能，有學(xué)者開展了生土改性研究[811]，多以參雜農(nóng)業(yè)廢料、水泥、石膏、植物纖維與儲能載體等為主。目前，對純生土材料熱物理性能研究較少，特別是針對不同地域的生土熱工性能差異研究。以黃土高原（陜西西安）、青藏高原（西藏拉薩）、新疆盆地（新疆吐魯番）3種西部典型地域的土樣為研究對象，探尋不同地域生土的含水率、導(dǎo)熱系數(shù)和建筑能耗之間的影響關(guān)系。

1不同含水率下生土導(dǎo)熱系數(shù)測試

1.1實驗過程

針對陜西西安、西藏拉薩和新疆吐魯番三地土樣（見圖1），將其充分過篩后，取適量土樣放于烘箱內(nèi)充分烘干。結(jié)合土工試驗的做法[12]，分別將烘干后的3種土樣加13%的水，攪拌均勻后倒入試件架的模具（300 mm×300 mm×30 mm）中壓成土坯（見圖2）。之后將土坯放于陰涼處晾干，大約60 d后將土坯兩面打磨平整，最終得到3塊自然晾干的土坯。分別稱重后，再將其放入烘箱中充分烘干再稱重，可得到3塊土坯的自然含水率與干密度的數(shù)據(jù)如表1所示。本試驗主要探討含水率對生土材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，因此測試中盡量控制了密度相同，由表1知3塊土坯試件密度相差很小。圖13種土樣對比

Fig.1The comparison of three kinds of

soil samples fddsafdsaf圖2制作好的土坯試件

Fig.2Processed adobe testspecimen表1土坯試件充分烘干后的相關(guān)數(shù)據(jù)

Table.1The tested data of fully dried adobe testspecimens試件干密度/

（g·cm-3）絕干導(dǎo)熱系數(shù)/

（W·m-1·K-1）自然含

水率/%陜西土坯1.7130.576 51.08新疆土坯1.6990.538 61.65西藏土坯1.7060.517 70.28

表2不同含水率狀態(tài)下的3種土坯試件導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果

Table.2Tested results for thermal conductivity of three

kinds of adobe specimens under different moisture

content conditions（W·m-1·K-1）重量含水率/%陜西新疆西藏烘干（0）0.576 50.538 60.517 7自然狀態(tài)0.628 30.629 60.560 520.751 30.648 40.757 940.912 50.770 70.937 261.071 40.879 31.039 981.206 50.981 31.174 8101.302 31.019 61.373 3121.451 91.101 51.516 3141.666 91.203 41.664 9

采用重量濕度的方法控制3塊土坯的含水率，即用噴壺將烘干后的土坯表面均勻噴灑相應(yīng)含水率的水量，含水率依次為2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%（當3種土坯的重量含水率達到16%時，已經(jīng)基本達到各自土樣的塑限值，因此，不考慮含水率16%以后的數(shù)據(jù)）。然后用塑料保鮮膜充分包裹后密封，養(yǎng)護8 h使水分在土坯中均勻滲透。之后用平板導(dǎo)熱儀分別對各個含水率狀態(tài)下的土坯測定其導(dǎo)熱系數(shù)。在測含水率大于2%的土坯試件前，先將養(yǎng)護好的試件兩面裹上一層保鮮薄膜后再放入導(dǎo)熱儀中進行測試，以求在最大程度上減少實驗過程中土坯試件內(nèi)水分的散失。通過這種方法，測試前后均對土坯試件稱重，前后損失的水分均在5 g以內(nèi)，誤差相對較小，對實驗基本不造成影響。最終得出相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，圖3為3種土坯含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的擬合曲線。

1.2生土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率變化的規(guī)律分析

由圖3可知，擬合曲線與實測數(shù)據(jù)吻合較好，且3條曲線的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.98（見表3），表明三地生土材料的導(dǎo)熱系數(shù)均與含水率間存在顯著的線性關(guān)系。

圖3中3條曲線的傾斜程度略有不同，即各個土坯導(dǎo)熱系數(shù)值隨含水率增長的變化量不同。陜西曲線與西藏曲線的變化趨勢相似，含水率從0%～14%的變化過程中，同一含水率對應(yīng)下的導(dǎo)熱系數(shù)值相近。在絕干狀態(tài)時，3塊土坯的導(dǎo)熱系數(shù)均在0.5 ～0.6 W·m-1·K-1之間，隨著含水率的不斷增加，新疆土坯的導(dǎo)熱系數(shù)與陜西、西藏土坯的導(dǎo)熱系數(shù)相差越來越大。從圖中可以明顯看出新疆曲線傾斜度最小，陜西曲線與西藏曲線的傾斜度相近，因此在大于自然含水率之后，新疆土坯導(dǎo)熱系數(shù)始終為三者最低，且隨著含水率不斷增大，這種差異越來越明顯。由此可見，新疆土坯的熱工性能明顯優(yōu)于另外兩種土坯，在高含水率狀態(tài)下，這種優(yōu)勢更為顯著。

圖33種土坯試件含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的擬合曲線

Fig.3Fitting curves of the relationship between moisture

content and thermal conductivities of three adobe specimens若用變化率來代表曲線的傾斜程度，則其含義為含水率每增加1%時，導(dǎo)熱系數(shù)的變化量。變化率越小，則曲線越平緩，土坯導(dǎo)熱系數(shù)對含水率的敏感程度越差，但該土坯的熱工性能則越好。因此從表3中3條擬合直線的斜率可得出各個土坯導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增長的變化率分別為：陜西0.075 39，新疆0.046 63，西藏0.079 87， 陜西與西藏的變化率相近，且均接近新疆變化率的2倍，證明了新疆土坯的性能要強于另外兩種土坯。表33種土坯試件導(dǎo)熱系數(shù)λ隨含水率ω變化的擬合公式

Table.3Fitting formulas of the relationship between

moisture content ω and thermal conductivities λ of

three adobe specimens土坯類別擬合公式R2陜西λX=0.584 93+7.539ω（1）0.992 57新疆λT=0.564 93+4.663ω（2）0.985 9西藏λL=0.560 83+7.987ω （3）0.993 13

2含水率對生土房建筑能耗的影響

生土材料導(dǎo)熱系數(shù)受含水率的影響對生土建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能及建筑能耗產(chǎn)生重要影響。據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，含水率增大，生土導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大，則生土圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)必然增大，這將大大降低生土建筑的保溫性能，增加建筑采暖能耗。不同地區(qū)生土建筑在墻體受潮變濕后對建筑能耗的影響差異如何？哪種生土材料更適合在未來濕度增大的條件下建造生土建筑？

為此，采用動態(tài)模擬計算不同地域生土在含水率增大情況下建筑能耗的變化強度，依據(jù)敏感性分析原理，來分析3種生土材料所建造生土建筑在應(yīng)對濕度增大情況下的熱反應(yīng)規(guī)律。

2.1模型與模擬參數(shù)設(shè)置

模擬建筑為常見的單體建筑形式，體形信息與圍護結(jié)構(gòu)熱工性能如表4所示，表中相關(guān)數(shù)值（除屋頂與外墻）均符合文獻[13]的有關(guān)節(jié)能要求。選用EnergyPlus能耗分析軟件模擬在陜西、新疆和西藏三地采暖期內(nèi)土坯房的單位建筑面積耗熱量。表4 模擬時所用的模型信息

Table.4Model information used in simulation體形系數(shù)

F0/V0窗墻面積

比（南向）傳熱系數(shù)/（W·m-2·K-1）屋頂外墻外窗外門0.780.240.52～1.670.52～1.672.82.5注：表中屋頂和外墻的傳熱系數(shù)在模擬時均為變量。模擬建筑針對民居，所以其圍護結(jié)構(gòu)熱工性能與熱舒適標準按照農(nóng)村節(jié)能規(guī)范執(zhí)行。因此根據(jù)文獻[13]的相關(guān)要求，三地均位于寒冷地區(qū)，全天室內(nèi)計算溫度均設(shè)為14 ℃，并按照按表2的標準定義好各自的材料結(jié)構(gòu)。生土墻受潮濕度的增大是個復(fù)雜的過程，降雨、太陽輻射、風速等氣象條件及構(gòu)造做法等都會對其產(chǎn)生影響，論文的能耗模擬關(guān)注墻體變濕后對建筑能耗的影響，弱化墻體如何增濕的研究。

2.2含水率對生土建筑采暖能耗的影響分析

模擬計算不同含水率下各地生土建筑采暖能耗強度，即分別模擬各個含水率下，3種土樣在各自地區(qū)氣候條件下采暖期內(nèi)的單位建筑面積耗熱量，模擬結(jié)果如圖4所示。

在采暖期內(nèi)，三地生土房單位面積采暖能耗隨著含水率的增加而顯著增加。主要原因是含水率的增加增大了生土材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使圍護結(jié)構(gòu)保溫性能下降，導(dǎo)致整個建筑的采暖能耗增加。在大于自然含水率的情況下，由于新疆土坯在相同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)始終低于陜西，因此圖4中新疆生土房單位面積能耗顯著低于陜西。即便在采暖期較長，室外平均溫度較低的情況下（見表5），其生土房的采暖能耗仍低于陜西。在圍護結(jié)構(gòu)絕對干燥的狀態(tài)下，西藏土坯房耗熱量僅為0.19 W/m2，陜西和新疆西藏土坯房耗熱量均在5.3～5.8 W/m2之間，但從圖2導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律上看，西藏土坯的熱工性能是最差的，這是什么原因呢？西藏太陽能資源豐富，通過圍護結(jié)構(gòu)尤其是外窗吸收的太陽能的熱量是陜西的2.4倍，新疆的1.4倍（見表5）。西藏生土房若無采暖設(shè)備，圍護結(jié)構(gòu)在自然含水率下，在采暖期的室內(nèi)平均溫度為15.6 ℃。在采暖期大部分時間內(nèi)，西藏太陽輻射熱量足以保證白天室內(nèi)計算溫度，僅夜間需要供熱。因此，氣候因素是造成西藏生土房采暖能耗最低的主要原因。

圖4 3種生土房單位建筑面積耗熱量隨含水率的變化曲線

Fig.4 The change curves of heating energy consumption

per unit floor area with the change of moisture

content in three adobe houses

表53個地區(qū)采暖期內(nèi)的相關(guān)信息

Table.5The information during heating period in three regions地區(qū)采暖

天數(shù)采暖期室外平

均溫度/℃采暖度日數(shù)

HDD18/（℃·d-1）模擬采暖期室內(nèi)

計算溫度/℃單位建筑面積通過窗口的太陽

輻射平均得熱量/（W·m-2）無采暖設(shè)備時室內(nèi)

平均溫度/℃陜西西安822.12 1786.2611.3新疆吐魯番109-2.52 7581410.8211.8西藏拉薩1261.63 42514.7515.6注：1.表中前三列數(shù)值參考標準[14]，用于對比研究；后兩列數(shù)值由EnergyPlus軟件模擬得到；

2.“單位建筑面積通過窗口的太陽輻射平均得熱量”為采暖期內(nèi)房間通過窗口獲得的太陽能總量Q（J）比上采暖期總時間t（s）與總建筑面積S（m2）的積，用q表示，則q=Q/（t·s），單位為W/m2；

3.“室內(nèi)平均溫度”選取的是圍護結(jié)構(gòu)為自然含水率狀態(tài)下，室內(nèi)無采暖設(shè)備時的模擬值。2.3含水率對生土建筑采暖能耗的敏感性分析

為了消除氣候因素對不同生土房采暖能耗的影響，將每一種土坯房分別在三地氣候條件下計算采暖能耗，則每一土坯房在同一含水率下都有對應(yīng)的3個值（分別對應(yīng)三地氣候），相加求平均后則可以得到不同含水率下3種土坯房采暖能耗的綜合平均值（如圖5），然后采用敏感性分析理論來定量分析建筑耗熱量隨含水率的變化規(guī)律。

圖53種生土房單位建筑面積耗熱量（平均）變化曲線

Fig.5The change curves of （average）heating energy

consumption per unit floor area of three adobe houses敏感性分析理論指觀察響應(yīng)跟隨激勵變化的方法，其目標是定量化對比系統(tǒng)的輸入變化量與輸出變化量間的關(guān)系[15]，它有助于認識輸入與輸出間的影響關(guān)系[16]。在建筑節(jié)能分析領(lǐng)域，改變某些設(shè)計參數(shù)后建筑能耗量的變化要遠大于其他設(shè)計參數(shù)，這類參數(shù)就具有較高的敏感性，在建筑節(jié)能分析中就更加值得關(guān)注。敏感系數(shù)被用于度量敏感性，它來自于數(shù)學(xué)和控制工程領(lǐng)域。對于熱力系統(tǒng)和建筑能耗模擬，敏感系數(shù)計算公式如式（4）所示。SC=OPIP≈ΔOPΔIP（4）式中：SC 為敏感系數(shù)；OP 為輸出量； IP 為輸入量。

敏感系數(shù)用來量化含水率對建筑能耗的敏感度，該值越小表明該含水率對建筑能耗的影響越弱。因此，這里以絕干狀態(tài)下的含水率對應(yīng)的單位建筑面積耗熱量為初始值，再將含水率的變化量作為輸入量，單位建筑面積耗熱量的變化量作為輸出量來計算敏感系數(shù)，則可得到如圖6所示的3條曲線。由于各自的自然含水率不同（陜西1.08%，新疆165%，西藏0.28%），因此3條曲線的第一個點并不在同一條垂直線上。

圖63種生土房單位建筑面積耗熱量敏感度變化曲線

Fig.6The change curves of sensitivities of heating energy

consumption per unit floor area of three adobe houses從圖6可以看出，3條曲線在低含水率狀態(tài)下，各自的敏感系數(shù)變化趨勢有所不同。對于西藏敏感系數(shù)變化曲線，第一點是整條曲線的最高點，且遠高于另外兩條曲線的第一個點，隨著含水率的增加，敏感系數(shù)呈單調(diào)遞減的趨勢。對于陜西敏感系數(shù)變化曲線，第一點是整條曲線的最低點同時也是所有曲線的最低點，當含水率達到2%時，敏感系數(shù)達到整條曲線的最高，之后隨著含水率的增加而單調(diào)遞減。對于新疆敏感系數(shù)變化曲線，第一點在整條曲線上既非最低點亦非最高點，含水率從自然狀態(tài)上升到2%時，敏感系數(shù)呈下降趨勢，而在含水率達到為4%時，敏感系數(shù)則上升到最高，之后隨含水率的增加而單調(diào)遞減。由此可見，對于各自敏感系數(shù)的最高值，3條曲線雖然均出現(xiàn)在低含水率狀態(tài)，但并不一致，其中西藏在自然狀態(tài)，陜西在2%，新疆在4%；對于最低點，陜西在自然狀態(tài)下，而拉薩和新疆均在高含水率狀態(tài)14%。

比較圖6中3條曲線整體變化趨勢，可得出不同生土房在不同含水率狀態(tài)下對建筑耗熱量變化的影響。西藏生土采暖能耗對含水率敏感系數(shù)始終高于陜西和新疆，因此無論在高濕還是低濕環(huán)境，西藏生土房對采暖能耗的增加都是最快的。由于陜西生土敏感系數(shù)在自然狀態(tài)下最低，因此陜西生土房在剛受潮時，采暖能耗上升相對較慢，含水率大于2%后耗熱量上升則比新疆生土房快。對于新疆生土，僅在自然狀態(tài)下略高于陜西，含水率在2%～14%任何一狀態(tài)下，新疆生土敏感系數(shù)則始終低于陜西和西藏。對每個含水率狀態(tài)下對應(yīng)的敏感系數(shù)求平均，則各地采暖能耗對含水率的平均敏感系數(shù)分別為：陜西57.3，新疆53.3，西藏96.8。由此可見，新疆土坯房耗熱量對土坯含水率的耗熱量敏感度是最差的，其耗熱量在含水率增加過程中上升最慢。

在自然狀態(tài)下，新疆生土房耗熱量略高于陜西和西藏生土房，但隨著含水率的增加，其采暖能耗對含水率的敏感度越來越差，始終低于陜西和西藏，且采暖能耗也一直低于另外兩者。因此，新疆土坯房的熱工性能最佳，對降低建筑耗熱量最為有利，在高濕環(huán)境下這種優(yōu)勢更加顯著。

3結(jié)論

1）含水率與生土導(dǎo)熱系數(shù)成線性相關(guān)，陜西、西藏和新疆的生土含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的線性相關(guān)系數(shù)都大于0.98。

2）含水率對生土建筑耗熱量的影響具有顯著的地域性差異，新疆的生土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增長而變化最慢，熱工性能最佳，而西藏最差。

3）新疆生土房在不同含水率狀態(tài)下的采暖能耗最低，且含水率對采暖能耗的敏感性最小，因此新疆生土房在墻體濕度增大情況下建筑能耗增加幅度最小。

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