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(duì)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(shí),會(huì)導(dǎo)致木材變形、混凝土開(kāi)裂、皮膚干燥、灰塵擴(kuò)散,這對(duì)物品保存及人體健康產(chǎn)生隱患;當(dāng)RH≥70%時(shí),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(lèi)生活環(huán)境,降低人們生活品質(zhì)．因此,RH應(yīng)控制在一個(gè)相對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)空氣相對(duì)濕度．調(diào)濕材料對(duì)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(duì)調(diào)濕材料本身熱、濕傳遞過(guò)程的數(shù)值模擬[9-12],并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析．但是關(guān)于預(yù)測(cè)新型調(diào)濕材料應(yīng)用效果方面的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少[13-14]．針對(duì)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(shí),室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度的變化過(guò)程;分析了硅藻土基調(diào)濕建筑材料厚度對(duì)室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)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(duì)房間空氣相對(duì)濕度的調(diào)控能力．故在房間結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)寬高分別為5 m×3 m×3 m)和功能(無(wú)門(mén)窗)上盡量簡(jiǎn)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(cè)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(shí)間內(nèi)保持平衡,即內(nèi)墻材料不儲(chǔ)存濕量,數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,U為材料含濕量;τ為時(shí)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?chē)h(huán)境相對(duì)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(shí)間的變化可表示為

式中

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(duì)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

-kT=-qT+hT(T*-Tr)+λhm(W*-Wr)

(9)

式中,qT為強(qiáng)制熱流;hT為對(duì)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(duì)濕度為70%,其余時(shí)間房間內(nèi)空氣相對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)試樣、加熱系統(tǒng)、絕熱保溫層、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分,待測(cè)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(hào)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(duì)熱電偶．材料周?chē)镁郯滨ヅ菽^熱層保溫．電加熱器與被測(cè)試樣以及被測(cè)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(chǎng)的導(dǎo)熱微分方程為

邊界條件為

x=0,t=T1;x=δ,t=T2

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(cè)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(jì)算得到硅藻土基調(diào)濕建筑材料的比熱為1 436 J/(kg·K)．

2.2 DBHCBM調(diào)濕性能關(guān)聯(lián)式

通過(guò)HS-150L型人工環(huán)境箱測(cè)得環(huán)境相對(duì)濕度和硅藻土基調(diào)濕建筑材料吸濕量．對(duì)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(gè)相對(duì)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(jí),故其對(duì)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(duì)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(méi)有鋪設(shè)DBHCBM時(shí)室內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律見(jiàn)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(dòng)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(duì)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(méi)有鋪設(shè)DBHCBM時(shí),室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化規(guī)律見(jiàn)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(duì)濕度數(shù)值較高的情況下,保證室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在47%左右,基本屬于人類(lèi)體感比較舒適的濕度范圍．相比于內(nèi)墻沒(méi)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(duì)濕度變化幅度更窄,室內(nèi)相對(duì)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(duì)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(duì)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(shí),室內(nèi)空氣平均溫度變化幅度最小．墻體厚度對(duì)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(huì)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(shí)對(duì)室內(nèi)空氣平均溫度的影響小于厚度較小(0.01 m)時(shí)的影響．這只因?yàn)楹穸绕?huì)導(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(shí),雖然會(huì)使內(nèi)墻的熱惰性增加,但對(duì)比圖3(b)可知,當(dāng)室內(nèi)空氣溫度變低時(shí),室內(nèi)空氣相對(duì)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?chē)h(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(shí),室內(nèi)空氣相對(duì)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?chē)h(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(shì),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(lái)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(duì)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(duì)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的影響．可看出,厚度為0.02 m的內(nèi)墻對(duì)于控制室內(nèi)空氣相對(duì)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(shí),吸濕和放濕的孔容積較小,同時(shí)可能由于孔隙長(zhǎng)度較小而不能產(chǎn)生足夠的毛細(xì)力,使得內(nèi)墻厚度對(duì)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的控制能力減弱．當(dāng)內(nèi)墻厚度較大(0.03 m)時(shí),內(nèi)墻厚度對(duì)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的影響小于內(nèi)墻厚度為0.01 m時(shí)的影響,這是因?yàn)榕c室內(nèi)空氣相對(duì)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(duì)室外空氣溫度的波動(dòng)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(dòng)和室內(nèi)周期性濕負(fù)荷變化對(duì)室內(nèi)相對(duì)濕度的影響,并且穩(wěn)定室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在一個(gè)較窄的范圍內(nèi),此范圍符合人類(lèi)對(duì)環(huán)境相對(duì)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(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制能力,厚度偏小時(shí)的影響明顯大于厚度偏大時(shí)的影響．因此可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性等要求來(lái)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(cè)和評(píng)價(jià)建筑材料性能的方法,以間接評(píng)價(jià)建筑材料的節(jié)能性,對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案起到一定的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值．

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