硅藻土基調濕建筑材料的應用仿真模擬

鄭佳宜 陳振乾

(東南大學能源與環境學院，南京 210096)

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

1 數學模型

本文主要考察房間內墻鋪設硅藻土基調濕建筑材料后，在室外空氣溫濕度以及房間內濕負荷周期性變化的條件下，該建材對房間空氣相對濕度的調控能力.故在房間結構(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.構成房間的墻體、屋頂及地面的構造、組成及物性參數如表1所示.

表1 圍護結構材料表

1.1 模型假設

假設貼附于墻體內側厚度為δ的內墻材料能夠隨室內和室外環境空氣參數周期性變化，吸附或者釋放水蒸氣.為了預測內墻材料與空氣進行濕度交換的規律，所建立的模型主要基于如下2方面的假設［15］:① 在周期性溫濕度邊界條件下，內墻材料的吸濕量和放濕量在一段時間內保持平衡，即內墻材料不儲存濕量，數學表達式為

式中，U為材料含濕量；τ為時間.②內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

大多數建筑材料的平衡等溫吸濕關系都可用如下關系式表示:

式中，φ 為周圍環境相對濕度；a，b，c，d為擬合系數，由實驗確定.

內墻材料的含濕量U隨時間的變化可表示為

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

第i層內墻材料的濕傳遞方程為

式中，A為面積；ρ為密度；hm為對流傳質系數；k為熱導率；Cp為比熱.

有效濕滲透厚度經驗公式［15］為

式中，Dv為水蒸氣擴散系數；ξ為環境濕度激發率.

1.3 內表面邊界條件

硅藻土基調濕建筑材料內表面邊界條件為

式中，qT為強制熱流；hT為對流傳熱系數；λ為蒸發冷凝熱.

假設房間內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%，其余時間房間內空氣相對濕度為30%；氣象參數采用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濕建筑材料對室內溫濕度的調控作用.

2 模型參數獲取

2.1 有效導熱系數和比熱

實驗采用恒熱流準穩態平板法測量硅藻土基調濕建筑材料的導熱系數.實驗裝置主要包括待測試樣、加熱系統、絕熱保溫層、數據采集系統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熱硅膠以減少接觸熱阻.

根據傅里葉定律，試塊內一維穩態溫度場的導熱微分方程為

硅藻土基調濕建筑材料的當量導熱系數為

硅藻土基調濕建筑材料的比熱容為

采用上述方法測得的硅藻土基調濕建筑材料的導熱系數為0.7 W/(m·K).將相關數據代入式(12)即可計算得到硅藻土基調濕建筑材料的比熱為1436 J/(kg·K).

2.2 DBHCBM調濕性能關聯式

通過HS－150L型人工環境箱測得環境相對濕度和硅藻土基調濕建筑材料吸濕量.對其擬合，得到如圖1所示的關聯式.

圖1 硅藻土基調濕建筑材料吸濕性能圖

3 模擬結果分析與討論

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，具有一定的保溫、吸濕和放濕能力，所以在室外真實氣候條件以及室內濕度負荷的作用下，房間內的溫度和濕度能夠維持在一個相對較窄的范圍內.然而，實驗室研制的硅藻土基調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遠超出其他墻體材料.因此，本文重點研究智能型硅藻土基調濕建筑材料在室內濕度調控中的功效及其影響因素.

3.1 DBHCBM對室內空氣參數的影響

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

圖2 硅藻土基調濕建筑材料對室內空氣參數的影響

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

3.2 DBHCBM厚度對室內空氣參數的影響

圖3(a)為在室外氣候條件和室內周期性濕負荷作用下，硅藻土基調濕建筑材料(內墻)厚度對室內空氣平均溫度的影響.可以看出，當內墻厚度為0.02 m時，室內空氣平均溫度變化幅度最小.墻體厚度對室內空氣平均溫度的影響并非線性，而存在最佳厚度，偏離最佳厚度會導致室內空氣平均溫度變化幅度增大.內墻厚度較大(0.03 m)時對室內空氣平均溫度的影響小于厚度較小(0.01 m)時的影響.這只因為厚度偏小會導致內墻的熱惰性減小，受外界環境變化的影響更加顯著.厚度較大(0.03 m)時，雖然會使內墻的熱惰性增加，但對比圖3(b)可知，當室內空氣溫度變低時，室內空氣相對濕度增加，即內墻硅藻土基調濕材料中水蒸氣脫附，吸收周圍環境的熱量，使室內空氣溫度進一步變低；當室內空氣溫度變高時，室內空氣相對濕度減少，即內墻調濕材料吸附室內空氣水蒸氣，向周圍環境放出熱量，使室內空氣溫度進一步升高，但吸附或解吸的水蒸氣量是有限的，因而隨內墻厚度的增加，室內空氣溫度幅度有增大的趨勢，但增加的幅度較小，所以鋪設房間內墻厚度還應根據其他指標(經濟性、熱惰性等)來確定，但應大于等于最佳厚度.

圖3 硅藻土基調濕建筑材料厚度對室內空氣參數的影響

圖3(b)為在室外氣候條件和室內周期性濕負荷作用下，內墻厚度對室內空氣相對濕度的影響.可看出，厚度為0.02 m的內墻對于控制室內空氣相對濕度在較小范圍內效果最佳.當內墻厚度較小(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生足夠的毛細力，使得內墻厚度對室內空氣相對濕度的控制能力減弱.當內墻厚度較大(0.03 m)時，內墻厚度對室內空氣相對濕度的影響小于內墻厚度為0.01 m時的影響，這是因為與室內空氣相對濕度相互作用的硅藻土基調濕建筑材料的厚度和孔隙數量是有限的，并不是厚度越大，調濕能力越強.

4 結論

1)硅藻土基調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，使室內的溫度更加均勻和穩定，從而提高室內人員的熱舒適性.

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

3)硅藻土基調濕建筑材料的鋪設厚度存在最佳值0.02 m.偏離最佳厚度將減弱其對室內環境參數的控制能力，厚度偏小時的影響明顯大于厚度偏大時的影響.因此可根據經濟性等要求來選擇硅藻土基調濕建筑材料，建議鋪設厚度大于等于最佳材料厚度.

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

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