硅藻土基调湿建筑材料的应用仿真模拟

郑佳宜 陈振乾

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

室内空气相对湿度(RH)与人的热舒适度、物品保存、室内空气品质、能源消耗量等因素密切相关，当RH≤40%时，会导致木材变形、混凝土开裂、皮肤干燥、灰尘扩散，这对物品保存及人体健康产生隐患；当RH≥70%时，将导致细菌和微生物的滋生，食品、药品等返潮，纸张、皮革、纺织品等发霉变形，从而恶化人类生活环境，降低人们生活品质.因此，RH应控制在一个相对合适的范围内.目前调控RH的方法主要有冷凝除湿、通风除湿、干燥剂除湿、加湿器加湿等，但这些方法耗能大且影响环境，因而调湿材料应运而生.其概念由日本学者田中西藤宫野［1］首先提出，此种材料不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应空间空气温湿度的变化，能够被动调节空气相对湿度.调湿材料对节约能源、改善环境舒适性、促进生态环境的可持续发展具有重要的意义.早期主要从实验方面研究调湿材料［2-8］，关于探寻调湿材料调湿机理方面的研究主要是针对调湿材料本身热、湿传递过程的数值模拟［9-12］，并与实验结果进行对比分析.但是关于预测新型调湿材料应用效果方面的研究文献相对较少［13-14］.针对此现状，本文采用有效湿渗透厚度模型，模拟了真实气象条件和周期性湿负荷作用下，房间内墙铺设和未铺设硅藻土基调湿建筑材料时，室内空气温度和相对湿度的变化过程；分析了硅藻土基调湿建筑材料厚度对室内空气温度和相对湿度变化的影响程度.

1 数学模型

本文主要考察房间内墙铺设硅藻土基调湿建筑材料后，在室外空气温湿度以及房间内湿负荷周期性变化的条件下，该建材对房间空气相对湿度的调控能力.故在房间结构(长宽高分别为5 m×3 m×3 m)和功能(无门窗)上尽量简单，以减少不必要的影响因素.构成房间的墙体、屋顶及地面的构造、组成及物性参数如表1所示.

表1 围护结构材料表

1.1 模型假设

假设贴附于墙体内侧厚度为δ的内墙材料能够随室内和室外环境空气参数周期性变化，吸附或者释放水蒸气.为了预测内墙材料与空气进行湿度交换的规律，所建立的模型主要基于如下2方面的假设［15］:① 在周期性温湿度边界条件下，内墙材料的吸湿量和放湿量在一段时间内保持平衡，即内墙材料不储存湿量，数学表达式为

式中，U为材料含湿量；τ为时间.②内墙材料总的吸湿量等于有效渗透厚度中的吸湿量，即

式中，δm为有效渗透厚度.

1.2 湿传递模型及能量方程

大多数建筑材料的平衡等温吸湿关系都可用如下关系式表示:

式中，φ 为周围环境相对湿度；a，b，c，d为拟合系数，由实验确定.

内墙材料的含湿量U随时间的变化可表示为

式中，W为环境湿度比；T为温度；AT为等温湿含量；Bρ为热梯度系数；上标*表示在材料表面.

第i层内墙材料的湿传递方程为

式中，A为面积；ρ为密度；hm为对流传质系数；k为热导率；Cp为比热.

有效湿渗透厚度经验公式［15］为

式中，Dv为水蒸气扩散系数；ξ为环境湿度激发率.

1.3 内表面边界条件

硅藻土基调湿建筑材料内表面边界条件为

式中，qT为强制热流；hT为对流传热系数；λ为蒸发冷凝热.

假设房间内周期性湿度源边界条件为每天8:00—17:00空气相对湿度为70%，其余时间房间内空气相对湿度为30%；气象参数采用1月8日至1月11日的室外空气温湿度，以模拟冬季典型气候特征下硅藻土基调湿建筑材料对室内温湿度的调控作用.

2 模型参数获取

2.1 有效导热系数和比热

实验采用恒热流准稳态平板法测量硅藻土基调湿建筑材料的导热系数.实验装置主要包括待测试样、加热系统、绝热保温层、数据采集系统4个部分，待测试样由4块尺寸为60 mm×60 mm×15 mm的硅藻土调湿建筑材料堆叠组成，第1块与第2块试样及第3块与第4块间试样间均设置1片型号相同的电加热器；第2块与第3块试样交界面中心和任一电加热器中心各设置1对热电偶.材料周围用聚氨酯泡沫绝热层保温.电加热器与被测试样以及被测试样之间的接触表面均涂以导热硅胶以减少接触热阻.

根据傅里叶定律，试块内一维稳态温度场的导热微分方程为

硅藻土基调湿建筑材料的当量导热系数为

硅藻土基调湿建筑材料的比热容为

采用上述方法测得的硅藻土基调湿建筑材料的导热系数为0.7 W/(m·K).将相关数据代入式(12)即可计算得到硅藻土基调湿建筑材料的比热为1436 J/(kg·K).

2.2 DBHCBM调湿性能关联式

通过HS－150L型人工环境箱测得环境相对湿度和硅藻土基调湿建筑材料吸湿量.对其拟合，得到如图1所示的关联式.

图1 硅藻土基调湿建筑材料吸湿性能图

3 模拟结果分析与讨论

房间的墙体由多种材料层叠而成.如表1所示，墙体材料都属于多孔介质，具有一定的保温、吸湿和放湿能力，所以在室外真实气候条件以及室内湿度负荷的作用下，房间内的温度和湿度能够维持在一个相对较窄的范围内.然而，实验室研制的硅藻土基调湿材料的孔隙尺寸为微纳米量级，故其对湿度变化的敏感性远远超出其他墙体材料.因此，本文重点研究智能型硅藻土基调湿建筑材料在室内湿度调控中的功效及其影响因素.

3.1 DBHCBM对室内空气参数的影响

在室外气候条件和室内周期性湿负荷作用下，DBHCBM敷设厚度为0.02 m和没有铺设DBHCBM时室内空气温度的变化规律见图2(a).可以看出，内墙铺设了硅藻土基调湿建筑材料后，一方面室内空气的温度波动明显减小，起到“削峰填谷”的作用，使室内的温度更加均匀和稳定，从而提高室内人员的热舒适性；另一方面硅藻土基调湿建筑材料作为房间围护结构的一部分，在冬季起到一定的保温作用.

图2 硅藻土基调湿建筑材料对室内空气参数的影响

在室外气候条件和室内周期性湿负荷作用下，内墙铺设DBHCBM厚度为0.02 m和没有铺设DBHCBM时，室内空气相对湿度的变化规律见图2(b).硅藻土基调湿建筑材料具有智能调湿作用，可以在室内周期性湿负荷作用以及室外相对湿度数值较高的情况下，保证室内空气相对湿度在47%左右，基本属于人类体感比较舒适的湿度范围.相比于内墙没有铺设硅藻土基调湿建筑材料的房间，内墙铺设硅藻土基调湿建筑材料的室内空气的相对湿度变化幅度更窄，室内相对湿度参数更加均匀和稳定，并且能够控制在较低的数值上.

3.2 DBHCBM厚度对室内空气参数的影响

图3(a)为在室外气候条件和室内周期性湿负荷作用下，硅藻土基调湿建筑材料(内墙)厚度对室内空气平均温度的影响.可以看出，当内墙厚度为0.02 m时，室内空气平均温度变化幅度最小.墙体厚度对室内空气平均温度的影响并非线性，而存在最佳厚度，偏离最佳厚度会导致室内空气平均温度变化幅度增大.内墙厚度较大(0.03 m)时对室内空气平均温度的影响小于厚度较小(0.01 m)时的影响.这只因为厚度偏小会导致内墙的热惰性减小，受外界环境变化的影响更加显著.厚度较大(0.03 m)时，虽然会使内墙的热惰性增加，但对比图3(b)可知，当室内空气温度变低时，室内空气相对湿度增加，即内墙硅藻土基调湿材料中水蒸气脱附，吸收周围环境的热量，使室内空气温度进一步变低；当室内空气温度变高时，室内空气相对湿度减少，即内墙调湿材料吸附室内空气水蒸气，向周围环境放出热量，使室内空气温度进一步升高，但吸附或解吸的水蒸气量是有限的，因而随内墙厚度的增加，室内空气温度幅度有增大的趋势，但增加的幅度较小，所以铺设房间内墙厚度还应根据其他指标(经济性、热惰性等)来确定，但应大于等于最佳厚度.

图3 硅藻土基调湿建筑材料厚度对室内空气参数的影响

图3(b)为在室外气候条件和室内周期性湿负荷作用下，内墙厚度对室内空气相对湿度的影响.可看出，厚度为0.02 m的内墙对于控制室内空气相对湿度在较小范围内效果最佳.当内墙厚度较小(0.01 m)时，吸湿和放湿的孔容积较小，同时可能由于孔隙长度较小而不能产生足够的毛细力，使得内墙厚度对室内空气相对湿度的控制能力减弱.当内墙厚度较大(0.03 m)时，内墙厚度对室内空气相对湿度的影响小于内墙厚度为0.01 m时的影响，这是因为与室内空气相对湿度相互作用的硅藻土基调湿建筑材料的厚度和孔隙数量是有限的，并不是厚度越大，调湿能力越强.

4 结论

1)硅藻土基调湿建筑材料具有一定的保温作用，对室外空气温度的波动起到“削峰填谷”的作用，使室内的温度更加均匀和稳定，从而提高室内人员的热舒适性.

2)硅藻土基调湿建筑材料能够减缓室外空气参数的波动和室内周期性湿负荷变化对室内相对湿度的影响，并且稳定室内空气相对湿度在一个较窄的范围内，此范围符合人类对环境相对湿度舒适性的要求.

3)硅藻土基调湿建筑材料的铺设厚度存在最佳值0.02 m.偏离最佳厚度将减弱其对室内环境参数的控制能力，厚度偏小时的影响明显大于厚度偏大时的影响.因此可根据经济性等要求来选择硅藻土基调湿建筑材料，建议铺设厚度大于等于最佳材料厚度.

4)本文提供了一种预测和评价建筑材料性能的方法，以间接评价建筑材料的节能性，对建筑设计方案起到一定的指导意义和借鉴价值.

References)

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