硅藻土基調(diào)濕建筑材料的應(yīng)用仿真模擬

鄭佳宜 陳振乾

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

室內(nèi)空氣相對濕度(RH)與人的熱舒適度、物品保存、室內(nèi)空氣品質(zhì)、能源消耗量等因素密切相關(guān)，當(dāng)RH≤40%時，會導(dǎo)致木材變形、混凝土開裂、皮膚干燥、灰塵擴(kuò)散，這對物品保存及人體健康產(chǎn)生隱患；當(dāng)RH≥70%時，將導(dǎo)致細(xì)菌和微生物的滋生，食品、藥品等返潮，紙張、皮革、紡織品等發(fā)霉變形，從而惡化人類生活環(huán)境，降低人們生活品質(zhì).因此，RH應(yīng)控制在一個相對合適的范圍內(nèi).目前調(diào)控RH的方法主要有冷凝除濕、通風(fēng)除濕、干燥劑除濕、加濕器加濕等，但這些方法耗能大且影響環(huán)境，因而調(diào)濕材料應(yīng)運(yùn)而生.其概念由日本學(xué)者田中西藤宮野［1］首先提出，此種材料不需要借助任何人工能源和機(jī)械設(shè)備，依靠自身的吸放濕性能，感應(yīng)空間空氣溫濕度的變化，能夠被動調(diào)節(jié)空氣相對濕度.調(diào)濕材料對節(jié)約能源、改善環(huán)境舒適性、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義.早期主要從實(shí)驗(yàn)方面研究調(diào)濕材料［2-8］，關(guān)于探尋調(diào)濕材料調(diào)濕機(jī)理方面的研究主要是針對調(diào)濕材料本身熱、濕傳遞過程的數(shù)值模擬［9-12］，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析.但是關(guān)于預(yù)測新型調(diào)濕材料應(yīng)用效果方面的研究文獻(xiàn)相對較少［13-14］.針對此現(xiàn)狀，本文采用有效濕滲透厚度模型，模擬了真實(shí)氣象條件和周期性濕負(fù)荷作用下，房間內(nèi)墻鋪設(shè)和未鋪設(shè)硅藻土基調(diào)濕建筑材料時，室內(nèi)空氣溫度和相對濕度的變化過程；分析了硅藻土基調(diào)濕建筑材料厚度對室內(nèi)空氣溫度和相對濕度變化的影響程度.

1 數(shù)學(xué)模型

本文主要考察房間內(nèi)墻鋪設(shè)硅藻土基調(diào)濕建筑材料后，在室外空氣溫濕度以及房間內(nèi)濕負(fù)荷周期性變化的條件下，該建材對房間空氣相對濕度的調(diào)控能力.故在房間結(jié)構(gòu)(長寬高分別為5 m×3 m×3 m)和功能(無門窗)上盡量簡單，以減少不必要的影響因素.構(gòu)成房間的墻體、屋頂及地面的構(gòu)造、組成及物性參數(shù)如表1所示.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料表

1.1 模型假設(shè)

假設(shè)貼附于墻體內(nèi)側(cè)厚度為δ的內(nèi)墻材料能夠隨室內(nèi)和室外環(huán)境空氣參數(shù)周期性變化，吸附或者釋放水蒸氣.為了預(yù)測內(nèi)墻材料與空氣進(jìn)行濕度交換的規(guī)律，所建立的模型主要基于如下2方面的假設(shè)［15］:① 在周期性溫濕度邊界條件下，內(nèi)墻材料的吸濕量和放濕量在一段時間內(nèi)保持平衡，即內(nèi)墻材料不儲存濕量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，U為材料含濕量；τ為時間.②內(nèi)墻材料總的吸濕量等于有效滲透厚度中的吸濕量，即

式中，δm為有效滲透厚度.

1.2 濕傳遞模型及能量方程

大多數(shù)建筑材料的平衡等溫吸濕關(guān)系都可用如下關(guān)系式表示:

式中，φ 為周圍環(huán)境相對濕度；a，b，c，d為擬合系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定.

內(nèi)墻材料的含濕量U隨時間的變化可表示為

式中，W為環(huán)境濕度比；T為溫度；AT為等溫濕含量；Bρ為熱梯度系數(shù)；上標(biāo)*表示在材料表面.

第i層內(nèi)墻材料的濕傳遞方程為

式中，A為面積；ρ為密度；hm為對流傳質(zhì)系數(shù)；k為熱導(dǎo)率；Cp為比熱.

有效濕滲透厚度經(jīng)驗(yàn)公式［15］為

式中，Dv為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)；ξ為環(huán)境濕度激發(fā)率.

1.3 內(nèi)表面邊界條件

硅藻土基調(diào)濕建筑材料內(nèi)表面邊界條件為

式中，qT為強(qiáng)制熱流；hT為對流傳熱系數(shù)；λ為蒸發(fā)冷凝熱.

假設(shè)房間內(nèi)周期性濕度源邊界條件為每天8:00—17:00空氣相對濕度為70%，其余時間房間內(nèi)空氣相對濕度為30%；氣象參數(shù)采用1月8日至1月11日的室外空氣溫濕度，以模擬冬季典型氣候特征下硅藻土基調(diào)濕建筑材料對室內(nèi)溫濕度的調(diào)控作用.

2 模型參數(shù)獲取

2.1 有效導(dǎo)熱系數(shù)和比熱

實(shí)驗(yàn)采用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測量硅藻土基調(diào)濕建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù).實(shí)驗(yàn)裝置主要包括待測試樣、加熱系統(tǒng)、絕熱保溫層、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分，待測試樣由4塊尺寸為60 mm×60 mm×15 mm的硅藻土調(diào)濕建筑材料堆疊組成，第1塊與第2塊試樣及第3塊與第4塊間試樣間均設(shè)置1片型號相同的電加熱器；第2塊與第3塊試樣交界面中心和任一電加熱器中心各設(shè)置1對熱電偶.材料周圍用聚氨酯泡沫絕熱層保溫.電加熱器與被測試樣以及被測試樣之間的接觸表面均涂以導(dǎo)熱硅膠以減少接觸熱阻.

根據(jù)傅里葉定律，試塊內(nèi)一維穩(wěn)態(tài)溫度場的導(dǎo)熱微分方程為

硅藻土基調(diào)濕建筑材料的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為

硅藻土基調(diào)濕建筑材料的比熱容為

采用上述方法測得的硅藻土基調(diào)濕建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.7 W/(m·K).將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(12)即可計算得到硅藻土基調(diào)濕建筑材料的比熱為1436 J/(kg·K).

2.2 DBHCBM調(diào)濕性能關(guān)聯(lián)式

通過HS－150L型人工環(huán)境箱測得環(huán)境相對濕度和硅藻土基調(diào)濕建筑材料吸濕量.對其擬合，得到如圖1所示的關(guān)聯(lián)式.

圖1 硅藻土基調(diào)濕建筑材料吸濕性能圖

3 模擬結(jié)果分析與討論

房間的墻體由多種材料層疊而成.如表1所示，墻體材料都屬于多孔介質(zhì)，具有一定的保溫、吸濕和放濕能力，所以在室外真實(shí)氣候條件以及室內(nèi)濕度負(fù)荷的作用下，房間內(nèi)的溫度和濕度能夠維持在一個相對較窄的范圍內(nèi).然而，實(shí)驗(yàn)室研制的硅藻土基調(diào)濕材料的孔隙尺寸為微納米量級，故其對濕度變化的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他墻體材料.因此，本文重點(diǎn)研究智能型硅藻土基調(diào)濕建筑材料在室內(nèi)濕度調(diào)控中的功效及其影響因素.

3.1 DBHCBM對室內(nèi)空氣參數(shù)的影響

在室外氣候條件和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷作用下，DBHCBM敷設(shè)厚度為0.02 m和沒有鋪設(shè)DBHCBM時室內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律見圖2(a).可以看出，內(nèi)墻鋪設(shè)了硅藻土基調(diào)濕建筑材料后，一方面室內(nèi)空氣的溫度波動明顯減小，起到“削峰填谷”的作用，使室內(nèi)的溫度更加均勻和穩(wěn)定，從而提高室內(nèi)人員的熱舒適性；另一方面硅藻土基調(diào)濕建筑材料作為房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，在冬季起到一定的保溫作用.

圖2 硅藻土基調(diào)濕建筑材料對室內(nèi)空氣參數(shù)的影響

在室外氣候條件和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷作用下，內(nèi)墻鋪設(shè)DBHCBM厚度為0.02 m和沒有鋪設(shè)DBHCBM時，室內(nèi)空氣相對濕度的變化規(guī)律見圖2(b).硅藻土基調(diào)濕建筑材料具有智能調(diào)濕作用，可以在室內(nèi)周期性濕負(fù)荷作用以及室外相對濕度數(shù)值較高的情況下，保證室內(nèi)空氣相對濕度在47%左右，基本屬于人類體感比較舒適的濕度范圍.相比于內(nèi)墻沒有鋪設(shè)硅藻土基調(diào)濕建筑材料的房間，內(nèi)墻鋪設(shè)硅藻土基調(diào)濕建筑材料的室內(nèi)空氣的相對濕度變化幅度更窄，室內(nèi)相對濕度參數(shù)更加均勻和穩(wěn)定，并且能夠控制在較低的數(shù)值上.

3.2 DBHCBM厚度對室內(nèi)空氣參數(shù)的影響

圖3(a)為在室外氣候條件和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷作用下，硅藻土基調(diào)濕建筑材料(內(nèi)墻)厚度對室內(nèi)空氣平均溫度的影響.可以看出，當(dāng)內(nèi)墻厚度為0.02 m時，室內(nèi)空氣平均溫度變化幅度最小.墻體厚度對室內(nèi)空氣平均溫度的影響并非線性，而存在最佳厚度，偏離最佳厚度會導(dǎo)致室內(nèi)空氣平均溫度變化幅度增大.內(nèi)墻厚度較大(0.03 m)時對室內(nèi)空氣平均溫度的影響小于厚度較小(0.01 m)時的影響.這只因?yàn)楹穸绕?dǎo)致內(nèi)墻的熱惰性減小，受外界環(huán)境變化的影響更加顯著.厚度較大(0.03 m)時，雖然會使內(nèi)墻的熱惰性增加，但對比圖3(b)可知，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度變低時，室內(nèi)空氣相對濕度增加，即內(nèi)墻硅藻土基調(diào)濕材料中水蒸氣脫附，吸收周圍環(huán)境的熱量，使室內(nèi)空氣溫度進(jìn)一步變低；當(dāng)室內(nèi)空氣溫度變高時，室內(nèi)空氣相對濕度減少，即內(nèi)墻調(diào)濕材料吸附室內(nèi)空氣水蒸氣，向周圍環(huán)境放出熱量，使室內(nèi)空氣溫度進(jìn)一步升高，但吸附或解吸的水蒸氣量是有限的，因而隨內(nèi)墻厚度的增加，室內(nèi)空氣溫度幅度有增大的趨勢，但增加的幅度較小，所以鋪設(shè)房間內(nèi)墻厚度還應(yīng)根據(jù)其他指標(biāo)(經(jīng)濟(jì)性、熱惰性等)來確定，但應(yīng)大于等于最佳厚度.

圖3 硅藻土基調(diào)濕建筑材料厚度對室內(nèi)空氣參數(shù)的影響

圖3(b)為在室外氣候條件和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷作用下，內(nèi)墻厚度對室內(nèi)空氣相對濕度的影響.可看出，厚度為0.02 m的內(nèi)墻對于控制室內(nèi)空氣相對濕度在較小范圍內(nèi)效果最佳.當(dāng)內(nèi)墻厚度較小(0.01 m)時，吸濕和放濕的孔容積較小，同時可能由于孔隙長度較小而不能產(chǎn)生足夠的毛細(xì)力，使得內(nèi)墻厚度對室內(nèi)空氣相對濕度的控制能力減弱.當(dāng)內(nèi)墻厚度較大(0.03 m)時，內(nèi)墻厚度對室內(nèi)空氣相對濕度的影響小于內(nèi)墻厚度為0.01 m時的影響，這是因?yàn)榕c室內(nèi)空氣相對濕度相互作用的硅藻土基調(diào)濕建筑材料的厚度和孔隙數(shù)量是有限的，并不是厚度越大，調(diào)濕能力越強(qiáng).

4 結(jié)論

1)硅藻土基調(diào)濕建筑材料具有一定的保溫作用，對室外空氣溫度的波動起到“削峰填谷”的作用，使室內(nèi)的溫度更加均勻和穩(wěn)定，從而提高室內(nèi)人員的熱舒適性.

2)硅藻土基調(diào)濕建筑材料能夠減緩室外空氣參數(shù)的波動和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷變化對室內(nèi)相對濕度的影響，并且穩(wěn)定室內(nèi)空氣相對濕度在一個較窄的范圍內(nèi)，此范圍符合人類對環(huán)境相對濕度舒適性的要求.

3)硅藻土基調(diào)濕建筑材料的鋪設(shè)厚度存在最佳值0.02 m.偏離最佳厚度將減弱其對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制能力，厚度偏小時的影響明顯大于厚度偏大時的影響.因此可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性等要求來選擇硅藻土基調(diào)濕建筑材料，建議鋪設(shè)厚度大于等于最佳材料厚度.

4)本文提供了一種預(yù)測和評價建筑材料性能的方法，以間接評價建筑材料的節(jié)能性，對建筑設(shè)計方案起到一定的指導(dǎo)意義和借鑒價值.

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