木材对人居微环境湿度的智能调解

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  木材是一种天然生长形成的有机复合体,具有诸多优异的自然属性,其中,木材独有的吸湿与解吸特性体现在人居微环境中具有特殊意义。
  当周围环境湿度发生变化时,木材自身为获得平衡含水率,能吸收或放出水分,直接缓和室内空间湿度的变化。研究结果显示,人类居住环境的相对湿度保持45%-60%为适宜,适宜的湿度既可令空气中浮游细菌的生存时间缩至最短。一间木屋等同于一个杀菌箱的说法,并非言之无据。在居室、餐厅、教室、会议厅等人类活动空间中大量使用木质家具木材制品或用木材(绿色木质材料)装修,可以智能的调节微环境内的相对湿度,从而有益于人体健康。这也是为什么木质家具和绿色木质材料倍受人们青睐的主要原因之一。
  
  1.木材的自然现象——吸湿性
  
  木材的吸湿和解吸。当空气中水蒸气压力大于木材表面水蒸气压力时,木材从空气吸着水分,称其为吸湿;反之,则有一部分水分自木材表面向空气中蒸发,称为解吸。木材的吸湿性取决于木材的构造学特性和木材的化学组成。
  
  ◆木材有巨大的比表面积
  木材属于多孔性——毛细管——胶体,其细胞壁由微晶、微纤维和纤维组成。这些微晶与微晶、微纤丝与微纤丝、纤丝与纤丝之间都有间隙,相互沟通,构成了木材的微毛管系统,平均直径为1-10nm,其内表面极为巨大。Brown报道说,1cm密度为0.4/cm3的木材,其微晶,微纤丝的表面为123.482m2;Kollmann报道,密度为0.1-1.4/cm3。的木材其表面为200—280m2。如此庞大的表面积和数目众多的毛细管,便于多种液体的吸着与传导。
  
  ◆木材含有大量的亲水性基因
  木材主要由纤维素,半纤维素和木质素组成。这三种成分均为天然高分子聚合物,其化学结构含有大量的游离羟基(-OH),这些羟基可以与水分子形成氢键,从而使木材成为一种吸湿性的材料。现以纤维素为例,阐述木材与水分的关系。纤维素分子的化学式可以写成(C6H10O5)n。
  从结构式上可看出每一个基环上有三个游离羟基,假如每个羟基都能通过氢键束缚住一个水分子,那么纤维素的含水率为33%。
  木材中的半纤维素,木质素以及其它物质均能吸着水分子。日本京都大学则元京教授研究指出,纤维素,半纤维素和木质素均具有较强的又具差异的吸湿性。其中,半纤维素的吸湿性最强,木质素次之,再次为天然纤维素。
  
  2、木质材料对室内湿度的调节作用
  
  室内环境中温度,湿度,风速,放射线等多种因子的综合表现是十分重要的,它取决于建筑结构,材料,设备,用具和空间设计等。其中,室内装修材料与室内温度有着密切关系,它对于霉菌,虫害和结露的发生与否,以及人类的健康和材料的耐久性有重要影响。
  人们居住的室内空间,不希望湿度有过大的骤然变化,应稳定在一定的范围之内,这样才能使人们感到舒适。木材及其它一些室内装饰材料,在某种程度上能起到调节和稳定湿度的作用,因此人类自古以来非常喜爱用木材作为室内装修或装饰用材。在通常情况下,如室内的木材用量较多,当室内温度提高时,由于材料可以解吸放出水分,因而其室内湿度也几乎保持不变。反之当温度降低时,室内湿度将相应升高,此时,木材可以吸收水分,而仍可保持室内的温度不变。而当室内木材用量很少时,则情况正好相反,起不到调节作用,室内温度较低时,空气便显得干燥,而湿度高而温度低时,室内则会有结露现象。可见,木材及木质材料对调节室内小气候起着十分重要的作用。
  
  ◆内墙材料的调湿性能
  常用的内墙装修材料有木材、各种木质人造板、石膏板和各类壁纸等。它们具有不同的透湿阻抗(见表1),也就是说具有不同的调湿性能。透湿阻抗越大,表明这种材料的透湿能力越低。
  


  由表中数据可见,木材的透湿阻抗与木材厚度有相关性,同种木材,厚度增大,透湿阻抗也相应提高。乙烯塑料壁纸的透湿阻抗最大,约为人造纤维壁纸的30倍,为纸基壁纸的90倍。表明乙烯塑料壁纸的调湿性能最差。适宜厚度的木材具有较小的透湿阻抗,从而具有良好的调湿性能。4mm厚三层胶合板的透湿阻抗约比同等厚度的薄木板大一倍,其调湿性能显然不如后者好。
  


  此外,还可以用渗透系数表征室内装修材料的调湿性能。表2列举了常用的几种材料的渗透系数。从中可见,木材的渗透系数均比其它材料大,约为漆膜的100倍,是乙烯塑料薄膜的1000倍。这表明,各类塑料壁纸的调湿性能远次于木材及其它装修材料。若整个室内大面积采用这类材料进行装修,对室内小气候的调节及人体健康均有不利影响。
  
  ◆木材厚度与调湿效果
  具有调湿能力的内部装修材料,不但在防止结霜上有一定的作用,而且在改善材料的耐腐性,使室内温、湿度变化幅度减小方面也有显著作用。其中研究较多的是当室内温度高时,从内墙装修材料表面计起有多大的厚度积蓄湿空气,才能起到调节室内温度的作用。
  如果室内和墙壁间没有水蒸气压差,则在两者之间不会产生湿空气的移动。可是,当室内温度提高或下降时,即使水蒸气压没有变化,湿度也会变化,即温度度升高时湿度下降,.反之则上升。在这种情况下,木质材料就会放出湿空气或吸着湿空气,抑制湿度的变化。这就是木材的气候调节能力。室内表面装修材料所占有的木材或其它具有吸湿和解吸能力的材料量越多,温度变化幅度就越小,室内的湿度不越趋于稳定。
  一般的住宅内部有热源和湿源,而且温度和湿度共处于一种动态变化之中。温度变化会在装修材内产生温度梯度,发生热流。湿度变化则产生水蒸气压力梯度,发生水蒸气的流动。由于温度、湿度的变化是呈周期性的,因此热流和水蒸气流也只能达到一定的程度。
  木材(或木质材料)的调湿原理是木材能吸收或放出水分,调解室内的湿度,最终导致木材含水率发生变化。木材表面和心层含水率同样受着室内温、湿度变化的影响,但由于水分传导需要一定的时间,因此心层含水率变化将滞后于表层。同样,由于表面与室内空气直接接触,表面含水率的变化幅度也比心层大。实验结果表明,木材越厚,平均含水率的变化幅度越小。室内装修用木材的厚度具体应采用多大,需要由实验来测定。从已有的实验结果来看,3mm厚的木材,只能调节一天内的湿度变化:5.2mm厚的可调节3天;9.5mm厚的可调节10天;16.4mm厚的可调节一个月;57.3mm厚的可调节一年。室内的湿度处于动态变化状态,它与外界湿度一样有其周期性的变化,大周期是以年为单位,再小一点是以季节为单位,更小一点则是以月或天为单位。要想使室内湿度保持长期稳定,则必须增强装修材料——木材或木质材料的厚度。
  ◆内墙装修材料的选择与结构设计
  目前,室内装修材料主要以壁纸,人造板为主,而壁纸又以乙烯类居多。基底材料主要是石膏板、砂浆壁面等。这些材料的使用,无疑使室内更加气密化,但同时又使调湿能力降低,达不到充分、合理地改善居住环境的目的。目前工厂开发的重点是装饰性好、透气性强、价格适中的各类内部装修材料。室内设计者也在研究如何通过内装材料的选择和改变内部装修方案来获得舒适的居住环境。
  装修材料有乙烯壁纸(V)、布壁纸(R);基底材料有石膏板(P)、木材或木质人造板(W);还有防水层(B)、隔热层(I),共有9种不同的组合方案,其组成结构如下;
  ①乙烯壁纸+石膏板+防湿层+隔热层;
  ②乙烯壁纸+石膏板+隔热层;
  ③乙烯壁纸+石膏板;
  ④布壁纸+石膏板+防湿层+隔热层;
  ⑤布壁纸+石膏板+隔热层;
  ⑥布壁纸+石膏板
  ⑦布壁纸+木制板++防湿层+隔热层;
  ⑧布壁纸+木制板+隔热层;
  ⑨布壁纸+木制板;
  结构⑤、⑧没有防湿层,室内的湿空气可以较容易的透入到墙壁内。
  在结构①、②、③三种情况下,室内的湿空气不能透入到墙壁内,其原因是内装材料使用了乙烯壁纸,其透湿组抗非常大。结构①是最一般的内墙装修方法,由于靠近壁面有防湿层,故此湿空气向壁内渗透的可能性很小。结构②对这种状况也无较大的改观。结构③易在装修材料表面产生结露现象。可见以上几种组合方式不具有室内湿度调节的功能。
  此外,也常使用具有调湿能力的纸和布作装修材料。纸和布都具有相当的调节能力,但由于这类材料都比较薄,虽然透湿阴抗很小,但单位面积吸湿量不会很大。由各种壁纸及其它内装材料的单位面积吸湿量的测试结果发现,胶合板的单位面积吸湿量最大,次之为石膏板,均高于各类壁纸的吸湿量,在各类壁纸中,乙烯壁纸的单位面积吸湿量最低,布壁纸高于乙烯壁纸但是布和纸的透湿阻抗分别是乙烯壁纸的1/30、1/90。湿空气极易透过壁纸达其底材料。因此,用布和纸壁装修材料时,应与其底材料的调湿能力一并综合考虑。
  对于结构④、⑤、⑥,其内装材料是布壁纸和石膏板。虽然调湿能力决定于布和石膏板,但可推断,它们的调湿能力只不过达到胶合板的1/3-1/4。因此,如将布和纸贴在石膏板上.也会产生比较严重的问题。因为石膏板的透湿阻抗与布大致相同,湿空气很容易透入其结果是对于结构⑤来说,易在隔热层内产生结露;对于结构⑥来说,由于室内侧温度较低,表面会发生结露现象。结构⑧、⑨是以木质板作基底材料的装修方式,根据木质材料的吸湿和解吸能力,均使这些装修材料具有良好的调湿性能。结构⑦由于装有防湿层的原因,湿空气不易进入壁内。结构⑧、⑨,根据木质板的具体透湿阻抗与板厚有关,对于薄板有时也可能渗透到内部。因此,用木质板装修时应选择适宜的厚度,使得木质板的透湿阻抗与乙烯类装饰材料的阻抗匹配。根据前面介绍的常用材料的透湿阻抗计算,实木板厚约为20mm,胶合板厚约为10mm,刨花板厚约为40mm,即如果选择这样的基底材,结构⑧、⑨就不会有向壁内透湿的可能。可是,透湿阻抗都是在稳定状态下测定的,但室内的水蒸气压随时间而波动,因此壁内的水蒸气压差也时刻变化,这样就会产生偏差。此外,木材含水率也影响到透湿阻抗。因此,对于结构⑧、⑨来说,也很难根据透湿量决定板的厚度。但若使用具有适宜厚度的木质板,就不用担心会在壁内产生结露现象,同时还会使装修材料具有良好的调湿性能。因此室内装修材料的选择和结构设计对室内的湿度调节至关重要。
  研究和实践表明,作为室内装修材料,木材和木质基材料是最佳选择,因为木材或木质材料具有比其它材料优越的调湿性能。
  当室内木材量(地板、天花板、家具等)少时,如提高室内温度,尽管木材可以解吸,但室内湿度也必然降低。当室内的木材量多时,其温度几乎保持不变。当温度降低时,室内湿度相当升高,此时,木材可以吸湿,仍可保持室内的湿度不变。当木材量太少时,则吸湿能力低,起不到调湿作用,室内必有结露现象。日本研究者研究了流行性感冒病毒的生存率与湿度的关系,发现在湿度为10、相对湿度为25%-30%时,流行性感冒病毒的生存率最高,可达60%。如果湿度增加到50%,其病毒的生存率减少到30%。由此可知,在空气的温、湿度较低时,流行性感冒病毒生存率高,易引起流行性感冒。
  人们对湿度的感觉迟钝,但是湿度对人体健康的影响较大。另外,从物品的保存观点来看,室内保存适当的湿度是很必要的。特别是空气中的浮游菌类的生存期是受室内温度影响的,相对湿度为50%左右时,菌类是难以生存的。室内水蒸气的发生与室内温度的变化有关。不论怎样看,多用木材密闭装修的室内可以保持适当的相对湿度,因为木材具有吸湿和解吸性。也就是说,这种自动调节作用是和木材吸湿等温线、吸湿等压线等的水分平衡性及水分移动的非平衡性密切相关。迄今为止,人们对木材智能性尚缺乏深刻的认识,但人们却在人居微环境中得以享用,重要的是要予以保护和发挥它的智能作用。
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