（材料学专业论文）复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆的热湿传递性能及其对建筑能耗的影响.pdf

摘要 建筑围护结构的保温隔热性能是建筑节能的重要方面。材料热湿 传递特性影响建筑围护结构的导温和保温性能，其影响规律是目前建 筑节能研究领域中重要方向。本文针对复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆的 吸湿性、不同含湿状态下的导热性能和热湿传递性质及它们的影响因 素进行试验分析；结合一维热迁移、湿迁移微分方程和l u i k o v 的墙 体热湿耦合传递数学模型推导含湿状态的导热系数函数，并根据夏热 冬冷地区的常用外保温结构及其热物理工作特点确定函数的具体系 数，并与试验结果验证；将导热系数函数应用于d e s t 的热环境模拟 简化模型，分析材料热湿传递给建筑能耗带来的变化。含湿导热系数 函数的确立，为建筑的能耗模拟提供更实际的基本参数，可为建筑节 能的设计、施工、材料的选择提供更有效的技术指导。 本文的主要研究如下： ( 1 ) 调整水泥用量、水胶比、膨胀珍珠岩掺量、聚苯乙烯颗粒 级配和细砂掺量设计不同配合比复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆；并通过 试验得到各个配比的孔隙率、吸水率和吸湿率。实验结果表明：亲水 性材料的分量增加，和配比参数不合理设置导致复合保温砂浆连续、 贯通、开口的大孔隙的量增加，均能增大砂浆的吸湿能力。确定砂浆 初始含湿和夏热冬冷气候条件对砂浆含湿状况的影响。 ( 2 ) 在夏热冬冷地区条件下，测试各个配比复合聚苯乙烯颗粒 保温砂浆不同含湿率的导热系数，并分析各个因素对该性能的影响规 律和影响程度。在本文研究原材料范围内，绝干状态的导热系数和干 密度大的砂浆，含湿导热系数的变化比较明显；同样，掺膨胀珍珠岩 时，环境条件下含湿率变化大，含湿导热系数的变化也比较明显。 ( 3 ) 以l u i k o v 墙体热湿耦合传递数学模型为主控方程，推导瞬 时热物性参数关于温、湿度的基础函数。命瞬时导热系数随湿度的变 化系数为导热系数含湿变化因子万结合一维状态热迁移、湿迁移微 分方程和复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆的含湿导热系数试验数据，确定 含湿导热系数兄( 及其含湿变化因子万。的表达式。并推论其普适性， 得到一个与绝干导热系数、比热、干密度有关的含湿导热系数的函数。 ( 4 ) 根据围护结构材料的导热系数对建筑能耗的影响特性，简 化建筑能耗模拟软件d e s t 的数学模型，在相同边界条件下，计算比 较热工规范提供的材料的计算导热系数和本文推导的含湿度导热系 数函数的建筑模拟能耗差异。结果表明：模拟建筑能耗差异可达到建 筑采暖年耗电量限值的1 3 2 5 。 关键词：建筑节能，复合聚苯乙烯保温砂浆，热湿传递，能耗模拟分 析 u a b s t r a c t i n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e o f b u i l d i n ge n v e l o p e i sa l l i m p o r t a n ta s p e c t o f e n e r g y s a v i n gc o n s t r u c t i o n ，h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ro fm a t e r i a li m p a c to nt h e t h e r m a la n di n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb u i l d i n ge n v e l o p e ，t h el a wo ft h ei n f l u e n c e i sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fe n e r g y - s a v i n gr e s e a r c h m o i s t u r ea b s o r p t i o n ，t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ra n da n dt h e i re f f e c t so fc o m p o u n de p s i n s u l a t i o nm o r t a ri nd i f f e r e n tw e tc o n d i t i o n s a n dt h e nf u n c t i o no ft h e r m a l c o n d u c t i v i t y o fm a t e r i a li nd i f f e r e n tw e ts t a t eb el a u n c h e df r o ml u i k o v s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o u p l e dh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ra n do n e - d i m e n s i o n a l p a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r , s p e c i f i cf a c t o r so ff u n c t i o n b ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h et h e r m a li n s u l a t i o ns t r u c t u r ea n di t 、sw o r k i n gp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc o m m o n l yu s e di nt h er e g i o no fh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e r ， a n db ec h e c k e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h ef u n c t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y b eu s e di ns i m p l i f i e dm o d e lo ft h et h e r m a le n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nd e s t ，a n dt h e i n f l u e n c eo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rb r i n gt ob u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nb e a n a l y s i s e d 1 1 1 ee s t a b l i s h i n go ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yf u n c t i o n , c a np r o v i d i n gm o r e r e a l i s t i cb a s i cp a r a m e t e r sf o rs i m u l a t i o no fb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n d p r o v i d i n gm o r ee f f e c t i v et e c h n i c a lg u i d a n c ef o rb u i l d i n ge n e r g y - e f f i c i e n td e s i g n i n g ， c o n s t r u c t i o n ，m a t e r i a l sc h o o s i n g t h ea r t i c l ei sr e s e a r c h e dm a i na b o u t ： ( 1 ) d i f f e r e n tf o r m u l ao fc o m p o u n de p si n s u l a t i o nm o r t a rb ed e s i g n e dt h r o u g h a d ju s tc e m e n tc o s u m p t i o n ，w a t e r - c e m e n tr a t i o ，p e r l i t ec o n s u m p t i o n ，s i z ed i s t r i b u t i o n o fe p sg r a i n sa n dt h i ns a n dc o n s u m p t i o n p o r o s i t y ，h y g r o s c o p i cc o e f f i c i e n ta n d s p e c i f i ca b s o r p t i o no fd i f f e r e n tf o r m u l a b er e s e a r c h e db a s e do ne x p e r i m e n t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n go ft h ep r o p o r t i o no fh y d r o p h i l i cm a t e r i a l ，a n d i n c r e a s i n go fc o n t i n u o u s ，t h r o u g h ，o p e n i n gm a c r o p o r e sb e c a u s eo fu n r e a s o n a b l e f o r m u l aw i l li n c r e a s et h eh y g r o s c o p i c i t yo fm o r t a r d e t e r m i n e dt h ew e tr a t ec h a n g i n g o fm o r t a rb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h ei n i t i a lr a t eo fw e ta n dw e a t h e rc o n d i t i o n si n r e g i o no fh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rb ye x p e r i m e n t ( 2 ) t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc o m p o u n de p si n s u l a t i o nm o r t a ro fd i f f e r e n t f o r m u l ab er e s e a r c h e di nw e ts t a t el i k et h em a t e r i a l si nc o n d i t i o n so fr e g i o no fh o t s u m m e ra n dc o l dw i n t e r ，t h el a wa n dd e g r e eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc o m p o u n d e p si n s u l a t i o nm o r t a rb ea f f e c t e db ea n a l y s i s e d w i t h i nt h es c o p eo ft h er a wm a t e r i a l s i i i s t u d i n gi n t h i sp a p e r ，t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t y i nw e ts t a t eo fc o m p o u n de p s i n s u l a t i o nm o r t a rw i n lb i g g e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t yo fd r ys t a t ec h a n g e d o b v i o u s l y ，t h es a m e ，t h ew e tr a t ea n dh e r m a lc o n d u c t i v i t yi nw e ts t a t ec h a n g i n g o b v i o u s l yw h e np e r l i t ea d d e d ( 3 ) t h ef o u n d a t i o nf u n c t i o no fi n s t a n t a n e o u sp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h e r m a l p r o p e r t i e so nt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y b el a u n c h e d t h r o u g ht h e r e v e r s e d e r i v a t i o nt ot h ee q u a t i o n sm a i nc o n t r o l l e db yl u i k o v s o r d e ro ft h ec o e f f i c i e n t a b o u tt h er a t eo fi n s t a n t a n e o u st h e r m a lc o n d u c t i v i t yb ea f f e c t e db yt h ei n s t a n t a n e o u s c h a n g e si nh u m i d i t ya s 瓦e x p r e s s i o n so f 名( u ) a n d 吒b ed e t e r m i n e db a s e do n o n e d i m e n s i o n a lp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fh e a tt r a n s f e r ，m o i s t u r et r a n s f e ra n d e x p e r i m e n t a ld a t a so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc o m p o u n de p si n s u l a t i o nm o r t a ri nw e t s t a t e t l l ec o e f f i c i e n t 屯o ft h ef u n c t i o na ( u ) a n dd e d u c ta p p l i c a b l ef o r m sof u n i v e r s a lm a t e r i a l ，w h i c hi saf u n c t i o nr e l a t e dt ot h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t y o fd r ym a t e r i a l ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nb ea f f e c t e d b yt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fe n v e l o p es t r u c t u r e n em a t h e m a t i c a lm o d e lo f b u i l d i n ge n e r g ys i m u l a t i o ns o f t w a r ed e s t b es i m p l i f i e d d i f f e r e n c e so fb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ec a l c u l a t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yp r o v i d e db yt h en o r m s a n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yf u n c t i o nd e r i v e di nt h i sp a p e rr e s p e c t i v e l yb ec a l c u l a t e d a n dc o m p a r e di nt h es a m eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t13 2 5 o ft h e b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nb em a d e dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y o fm a t e r i a l si n d i f f e r e n tw e ts t a t ei tc a nn o tb ei g n o r e d k e y w o e d s ：e n e r g y - s a v i n g ，c o m p o u n de p si n s u l a t i o nm o r t a r ，h e a ta n dm o i s t u r e t r a n s f e r ，s i m u l a t e d - a n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 幽益日期：山显年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、+ 缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名产嗍出厶厶 硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 能源是当代国民经济发展的支柱之一，而随着工业文明的快速发展，地球 上可被人类利用的石油、煤炭等资源正在同渐枯竭，能源问题是当前世界各国普 遍重视的问题。自上个世纪7 0 年代世界性能源危机发生以来，人类己逐渐的认 识到无节制的使用能源，必然加剧能源危机程度，最终自毁人类生存的环境。由 于受科学技术发展水平的制约，人类开发出能够从根本上解决能源危机的新能源 尚需时同，所以如何高效的节能就成为了当前解决问题的关键。 统计数据显示，世界上大约有三分之一的能量被消耗在了建筑物上，而建筑 物的无谓耗能也是全球温室效应，臭氧空洞等环境问题的主要原因之一【lj 。目前 随着空调和照明设备技术日益进步，建筑节能已经成为一个不可回避的问题。在 近三十多年的时间里，建筑节能在世界各国蓬勃兴起，成为各国关注的热点问题。 目前在许多发达国家，新建建筑被强制性要求达到一定的节能标准，既有建筑也 已经或正在被改造成节能建筑。建筑节能已经成为一个世界性趋势。 我国民生领域能源消耗巨大，其中建筑能耗在我国的总能耗中占有较大的比 重，而且与气候条件相近的发达国家相比，我国居住建筑单位面积采暖能耗明显 偏高，约为他们的三倍左右【2 1 。随着高能耗建筑冬季采暖与夏季空调使用的同益 普遍，能源浪费必将更加严型引。因此面对着资源枯竭、环境恶化、生态破坏、 气候变暖等一系列严峻问题，我们必须将节约能源作为经济工作的一项长期任 务，并将节能问题列为我国经济建设的战略重点，并按照可持续发展的要求，对 建筑节能开展深入细致的研究 4 1 。 1 2 研究背景、意义和理论基础 1 2 1 研究背景 实施建筑节能既是建造居住建筑的基本要求，也是提高人们的生活质量，适 应社会发展的客观要求。我国的建筑节能工作已开展了二十多年，尤其近些年随 着建筑业的快速发展，国家更加大了在建筑领域可持续发展的力度。 1 9 8 6 年国家颁布民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j 2 6 8 6 提 出节能3 0 1 5 1 ，1 9 9 5 年又颁布了民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j 2 6 9 5 提出节能5 0 f 6 1 ，2 0 0 1 年建设部批准的夏热冬冷地区居住建筑节能 设计标准j g j l 3 4 2 0 0 1 1 7 】，建设部“十五”计划规划到2 0 2 0 年，我国要通过进 硕+ 学位论文第一章绪论 一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会建筑的总能耗能够达到节能6 5 的目 标。并采取了诸多措施，推动建筑节能工作的发展【8 】。 随着国家对节能工作的推进，建筑保温材料的研制与应用越来越受到世界各 国的普遍重视，新型保温材料不断的涌现。从建筑保温材料的材质和品种上看， 不定型的浆体保温材料是建筑保温隔热材料的重要组成部分，国内外对以聚苯乙 烯为主要原料的保温材料研究相对广泛【9 j 。 由于人们对建筑环境质量的要求不断提高，建筑模拟也越来越成为建筑环境 的设计、分析、评价工作中必不可少的重要工具之一。经过4 0 余年的不断发展， 建筑模拟技术己经广泛的应用于建筑设计的整个寿命周期里，包括设计、施工、 运行、维护和管理等各个阶段【10 1 。建筑能耗模拟与墙体材料的热湿传递性能相 关。因此，很多人开始关注对建筑墙体热质耦合传递的研究。 1 2 2 研究意义 建筑物的围护结构承担着建筑物与外部热交换的主要作用，建筑物通过围护 结构散失的热量大约占整个系统热量损失的三分之一以上】，围护结构耗热量的 大小与供热量以及建筑围护结构的传热系数有关，而传热系数又直接取决于围护 结构各组成部分的热阻，即取决于导热系数与材料厚度，热桥( 冷桥) 的传热是根 据平均传热系数，利用面积加权平均所得，究其然还是利用设计状态下的材料导 热系数来计算的。因此，墙体材料的导热系数是影响建筑能耗一个重要参数。 材料的导热系数不是一个恒定值，是与材料内部的含湿量相关的，不同的 含湿率对应不同的导热性能，含湿量增大，导热系数可能会增大很多。这是由于 围护结构建筑材料大多为多孔介质，多孔介质从字面上理解就是内部含有空穴的 介质，干燥状态下孔隙中只含有空气。而当材料受潮后，孔隙中部分空气所占空 间被水替代，由于水的导热系数远大于空气的导热系数，所以在实际使用过程中， 对于建筑墙体这种多孔性材料而言，由于含湿量变化的影响，其导热系数随所在 地区、季节、朝向不同而异。如果就实际的测试数据进行评价，由于其测试条件 以及材料导热系数与设计值有偏差，那么测试结果就会导致计算能耗值与设计条 件能耗值的偏差，这样为了对建筑节能进行更准确的设计和评价，势必要求对墙 体材料的含湿导热系数进行研究。 针对非饱和含湿多孔介质的导热系数，已经有许多研究者进行了大量的试 验，鉴于多层多孔结构内湿迁移问题研究的复杂性，许多内容远未完善，单就多 孔材料的热湿物性参数来说，导热系数、密度、比热、质扩散系数、热质扩散系 数等都是含湿量的函数。因此，从材料的含湿量为零到饱和的整个范围内，上述 参数是呈非线性变化的，而目前这样的数据十分有限。开展湿分对多孔介质导热 系数影响的研究具有一定的理论意义和实用价值。 硕士学位论文第一章绪论 复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆保温性能好、相关技术性能优良、施工方便、 成本低等优点，所以近年来得到大范围的推广【l2 1 。复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆 一般用于建筑外墙外保温形式的最外层，和其它墙体建筑材料一样具有多孔特 性，由于施工环节或者气候条件影响，其湿度很容易发生变化，从而导致材料的 导热系数发生变化。由于保温砂浆在使用过程中由于受气候条件影响其导热系数 与设计参数有一定差距，所以在具体的工程实践中其各项性能很难真正得到发 挥，造成能源的不经济利用，并且不能保证得到预期的节能效果。 研究复合聚苯乙烯颗粒保温砂浆的热湿传递性能及含湿导热系数函数，并将 其结果应用于建筑能耗模拟，可为墙体的节能设计提供可靠的技术依据。 1 2 3 基本理论 建筑传热过程 建筑物的房间是借助围护结构而与外界环境隔开，并通过房间采暖和空气调 节在室内创造出一定的热湿环境和空气条件【1 3 】。但建筑物在实际的使用过程中 其内部的热力系统要受到室外的空气湿度、温度、太阳辐射强度、风向、风速以 及临室空气温湿度等外扰因素的影响。这些因素以通过热交换和通过空气交换两 种方式影响室内的热湿状态。外扰通过板壁围护结构的热传递过程，必定是首先 作用到围护结构的内表面使其温度发生变化，然后再以对流形式与室内空气发生 热交换，从而影响室内的热环境。 建筑传热方式 传热是热量从高温区向低温区自发的流动，是一种由温度差引起的能量转移 现象。自然界罩，无论在任何一种介质内部，还是在两种介质之间，只要有温度 差存在就会出现传热过程。 导热，是依靠物体内分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在宏观上 物体各部分无相对位移的热传递现象。在固体、液体和气体中均可发生，但在地 球重力场的作用范围内，单纯的导热过程只会发生于密实的固体中。对于墙体导 热主要发生在材料内部。 热对流，是依靠流体分子的随机运动和流体整体的宏观运动，将热量从一处 传到另一处的现象。主要发生在液体和气体中，但在多孔性的固体绝热材料中， 孔隙内的气体也会发生对流传热。对于墙体，热对流主要发生在墙内表面与室内 空气换热和墙外表面与室外对流换热。 热辐射，是依靠物体表面对外发射电磁波而传递热量的现象。任何物体，只 要其温度大于绝对温度，都会对外辐射能量，并且不需要直接接触和传递介质， 当辐射电磁波遇到其它物体时，将有一部分转化成热量。物体的辐射随着温度的 硕十学位论文 第一章绪论 升高而增大，当两物体存在温差时，由于辐射力的差异，高温物体辐射给低温物 体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，其结果为热量从高温物体传递给 低温物体。对于墙体，发生热辐射与发生热对流是同时进行的。 从建筑传热的角度出发，除考虑墙体所起的作用，还必须考虑居住舒适性 分两种情况：一是冬季墙体的保温。冬季为了保持室内的温度，室内的温度必须 大于室外的温度。此时墙体的散热是在室内温度不随时间变化的条件下进行的， 因而称之为稳定传热，稳定传热对墙体材料的保温性要求高。其二，是夏季墙体 的隔热。由于室外温度随时间变化，作用于墙体通过传热而使室内温度也随之变 化，故称之为不稳定传热。为了使室内温度不升高，对于墙体材料的隔热性要求 t i 同o 1 墙体的稳定传热 ( 1 ) 墙体内表面吸热 由于室内的温度大于室外的温度，室内的热量通过墙体向室外传递时，必然 形成室内温度、墙体内表面温度、墙体自身温度、墙体外表面温度及室外温度依 次递减的温度状态。墙体内表面向外侧传热的同时必须从室内空气中得到相等的 热量，否则就可能保持墙体内表面温度的稳定。在这一过程中，既有与室内空气 的对流换热，同时存在内表面与室内空间各相对表面的辐射换热。 g ，= 口，( ，。一只) ( 1 - 1 ) 式中：g 厂单位时间通过单位面积墙体的热量( w m 2 k ) ； 口厂墙体内表面的换( w m 2 k ) ； 汐厂墙体内表面温度( ) ； ，f _ 室内空气温度( ) 。 ( 2 ) 墙体材料层导热 墙体内表面吸热后，通过墙体材料向墙体外表面传递，若墙体由单一材料组 成，根据导热计算公式可知： ， g ，= 三= ( 幺一见) ( 1 2 ) 口 式中：g 广单位时间通过单位面积墙体的热量( w m 2 k ) ； 护厂墙体内表面温度( ) ； 矽厂墙体外表面温度( ) ； 可见，通过墙体的导热量除与材料层的厚度有关外，与材料层的导热系数密 切相关。为降低墙体的导热量必须设法降低材料的导热系数。 ( 3 ) 墙体外表面散热 由于墙体外表面温度0 。高于室外空气温度t c ，即0i e t e ，墙体外表面向室外 4 硕+ 学位论文第一章绪论 空气和环境散热。外表面的散热是对流换热和辐射换热的综合，但由于换热条件 的变化，所以换热系数亦随之变动。散热量为： q 。= 口。( f 。一见)( 1 - 3 ) 其中：g 厂单位时间通过单位面积墙体外表面的热量( w ，m 2 k ) ； 口广墙体外表面的换热系数( w m 2 k ) ； 矽。一墙体外表面温度( ) ； ，p - 室外空气温度( ) 。 ( 4 ) 墙体的传热系数 在稳定状态下，以上三种的导热量相等，改写为： f ，一只：旦 f 见一p = 赤 见一只= 旦 “p 三式相加，消去0i 、0 。，得出墙体的传热热流密度： 令“2 t 打 a - 4 ) 一。+ 一 o ci 九0 c e 则称k 为墙体的传热系数。 令：尺= 专，则称r 为墙体的传热热阻。 墙体传热热阻r 越大，通过墙体所传出的热量就越少。墙体的传热热阻与传 热系数互为倒数关系，因此传热系数和传热热阻都是衡量墙体在稳定传热条件下 的重要热工指标。 2 墙体的不稳定传热 建筑物在自然条件下使用，其实际气候因素的变化都近于周期性如：春夏秋冬 的变化、昼夜的交替，以及固定的某段时间气候变化因素等，都可以认为是周期 性的热作用。在周期性热作用中，最简单、最基本的是简谐热作用，即温度随时 间呈正弦函数或余弦函数的规律变化。在简谐热作用下，材料和墙体内部温度的 分布、温度波波幅的衰减程度以及相位的延迟多少，都与所选的材料、构造情况 硕十学位论文第一章绪论 和边界条件有直接的关系。其中蓄热系数是一个主要的指标，建筑材料在周期性 波动的热作用下，均有蓄存热量和放出热量的能力，借以调节材料层表面温度的 波动。在实际的工程实践中，墙体的厚度是有限的。在此情况下，材料层受到简 谐温度波作用时，其表面温度的波动与各构造层组成材料的热物理性能有密切关 系。由此可见，墙体阻止热量的传递很大程度上依赖于组成墙体材料的保温性。 材料的绝热性 绝热就是最大限度的阻抗热量的传递。所以，就要求绝热材料须具有较小的 导热系数、换热系数和辐射换热系数，或由绝热材料组成的绝热层具有较高的热 阻值i 。 从以上分析的导热机制上看，材料的导热系数主要受下列因素影响： 1 材料的组成与结构 有机高分子材料的导热系数小于无机材料。无机材料中，非金属的导热系数 小于金属材料：气态物质的导热系数小于液态物质，液态物质小于固体。 2 孑l 隙的大小与特性 当其他条件相同时，导热性能与孔洞大小有关。在表观密度相同的条件下， 孔隙的尺寸越小，导热系数越小。当孔径小至一定尺寸后，空气将完全被气孔壁 吸附，孔隙接近于真空状念，导热系数降到最小。当孔隙体积大到一定程度，孔 隙内部空气出现对流，导热系数变大。对于相同孔隙率和孔径尺寸，当孔隙彼此 连通时，导热系数较大：当孔隙彼此密封时，导热系数较小。 3 表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。其体积既包括固体部分 的体积又包括孔隙的体积。在低温状态下，孔隙中的气体可以看作是无对流的静 止气体，仅有导热，没有对流换热。由于静止空气的导热系数比固体的导热系数 小，所以，随着孔隙率的提高或表观密度的降低，其导热系数变小。对于多孔材 料，假设固体部分的导热系数为入。，气体部分的导热系数为入g ，孔隙率为p ， 则其总体导热系数一般介于入m i 。和入m 戤之间，入m i n 、入m 瓤按下式计算： 旯。缸= a 名一( 包一见) 尸 ( 1 - 5 ) a 。兄。 k 2 巧矗专而( 1 - 6 ) 由以上我们可以看出，材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降 低的。当表观密度小于某一个临界值后，由于孔隙率太高，孔隙中的空气开始产 生对流，同时由于气体对热辐射的阻抗能力很低，如果孔隙率过高，辐射传热也 相应加强，这时材料的总传热系数反而增大。 6 硕士学位论文 第一章绪论 对于多孔绝热材料，只有当材料导热系数入、对流换热系数a 。和辐射换热系 数q 。三者之和最小时，才具有最低的绝热性能。此时材料的表观密度，称为最 佳密度。 4 热流方向 建筑材料因其固体部分( 骨架) 的成分和构造不同而彼此迥异。在大多数情况 下，纤维质构造材料是各向异性的，如果材料是各向异性的，则在不同方向上的 导热系数也各不相同，甚至差别很大，当热流顺着纤维方向传递时，其导热系数 值要比垂直于纤维方向传递时大1 2 倍。所以，为降低材料的导热系数必须尽可 能的减小热流方向性的影响。 5 温度 由于辐射传热的影响，多孔材料的导热系数一般随着温度的升高而增大。二 者的关系如下： 五= 兄6 + b t , ， ( 1 7 ) 式中：l6 常温下的导热系数( w m k ) ； 卜系数： 砀一内外表面的平均温度( ) ； 6 湿度 对建筑墙体材料而言，重要的是其导热系数与湿度的关系。材料的导热系数 随着湿度的增加而增大。材料导热系数的增大，与孔洞中的空气被具有更大导热 系数的水所代替有关。在材料颗粒的接缝处水膜形成了“水衬套”，从而增大了 材料颗粒之问的接触面积，并助长它们之间的换热。特别是当湿度不大时，这种 接触所起的作用是明显的。而且水的导热系数比静止空气的导热系数大得多，因 此，材料的孔隙吸水后或材料的平衡含水率提高，导热系数相应增大。 建筑墙体材料湿度的大小用含湿率来描述，一般分为质量含湿率和体积含湿 率。质量含湿率是指单位质量建筑材料所含水的质量( k g k g ) 。体积含湿率是指 单位体积建筑材料所含水的体积( m 3 m 3 ) 。本文中除特别说明外，所提到的含 湿率都是指质量含湿率。 但对于多孔固体材料的辐射传热，可以通过增加孔隙壁的数量来增大热阻。 这与孔隙体积较小有利于防止对流传热是一致的。所以，材料的孔隙率越大，尤 其是体积小而且封闭的孔隙越多，对降低材料的导热系数越有利。 1 3 国内外研究现状 国内外对材料含湿状态导热系数的研究已经进行了很多，与含湿导热系数 密切相关的热、湿传递已成为一个理论体系，学者们开发的d e l p h i n 1 4 1 等热湿耦 7 硕七学位论文 第一章绪论 合的模拟软件可以实现热、湿以及传质的相互耦合。目前所做的工作基本都是对 既有理论的深化、细化，结合试验得出的材料特性，就可以方便地实现墙体热湿 的动态模拟，为动态评价、验收墙体主体部位的传热系数提供理论支持。 建筑的热、湿耦合传递是以多孔介质理论为基础的，经过对多孔介质近百年 的传热传质理论研究，既已形成比较严密的理论体系。由于多孔介质中的空穴的 大小、数量以及相对位置的随机性，加之内部湿扩散是个漫长的过程，多孔介质 的热湿迁移是一个动态的相当复杂的问题，其主要影响因素有材料的构造、种类、 结构( 毛细多孔介质、散状材料) 、粒度以及排列方式等。研究多孔建筑材料的 传热传湿问题关系到房间的冷热负荷计算、热湿性能评价及供暖空调方案的节能 效果等多个方面，随着研究方法及运算工具的改进，人们对多孔建筑材料热湿性 能的研究在不断地深入。 1 3 1 国外研究现状 人们对墙体多孔介质内部热湿传递机理的认识经历了一个由简单到复杂的 过程，由单一机理作用到多种机理联合作用这样一条研究途径而逐步发展起来 的，在墙体材料热湿传递模型方面，众多学者因研究的出发点不同，材料特性不 同及各自对热质传递过程机理的认识不同，多提出的模型也不相同。但是，长期 以来国外学者先后对多孔介质的热质迁移过程进行了许多试验研究和理论分析。 最初的试验研究是将具有特定湿特性的试验模型放置于两侧可控制的环境 中，并对其热湿过程进行监测，但此试验工况与实际工况相差甚远。将模型的一 侧置于室外，另一侧环境保持稳定工况来代表室内环境，这使得模拟工况更接近 于实际工况【”16 1 ，但此法的应用只限于所试验的几种工况条件，具有很大的局 限性。 jsc a m m e r e r 等人对围护结构含湿量的测定作了许多研究，得到了比较可信 的数据，他们把围护结构的低温一侧暴露在空气中，但保证其不会凝结，并且使 冷热两端的温差足够小，得出了粘土砖，混凝土等的含湿量，并通过对粘土砖， 混凝土等在不同含湿量情况下导热系数的测量，得到了不同含湿量对不同材料的 导热系数的影响的一组数据l l7 。 1 9 9 9 年，h o s n i 1 8 1 等对混凝土砌块( c m u ) 结构的建筑物内热湿传递进行了一 系列实验。该实验分为两部分：第一部分通过实验获得以扩散方式进行湿传递时 的温度、相对湿度和热流量；第二部分实验通过测得的数据确定墙在无空气渗流 时的干燥速率，从而得出外墙水蒸汽防护层将减少向墙内的湿迁移，但其作用小 于内墙防护层的使用的结论。 在墙体材料热湿传递模型方面，众多学者因研究的出发点不同，材料特性不 同及各自对热质传递过程机理的认识不同，多提出的模型也不相同。p h i l i p ， 8 硕+ 学位论文第一章绪论 d e v r i e s 1 9 2 0 2 1 1 第一个提出了多孔介质中热湿祸合迁移的完整理论。该理论综合 了水汽的扩散理论和液态水在重力、毛细作用和分子吸收作用下的粘滞力流动理 论。 对国内研究学者影响最深的当属a b l u i k o v ，国内主要学者的研究大都基 于a b l u i k o v 的模型进行深化和相关应用研究。a b l u i k o v 在1 9 5 4 年就认识到 温度对水分迁移过程的影响【2 2 1 ，l u i k o v 对多孔介质的热湿特性进行了大量的研 究，他根据不可逆热力学、宏观质量、能量守恒定律，并引入迁移势概念，认为 热传递不仅取决于热传导，而且还取决于湿组分的再分布：质传递不仅取决于湿 扩散，还取决于热扩散。从而，他导出一组热质耦合偏微分方程。此后，l u i k o v 进一步考虑到多孔介质内部压力对热质传递的影响，导出了以温度t ，含湿量u 和压力p 为迁移势的一组偏微分方程四】。 h e n r y e s h 的研究假设在正常气候条件下，组成多孔介质材料的物理性质 不变，介质中含湿量是温度和水蒸气密度的线性函数，并且介质与周围的空气时 刻保持湿平衡和热平衡，并建立了一维瞬态传热传湿的数学模型2 4 1 。但是这类 方程由于其中一些物性参数难以确定，方程难以求解，使其模型不能被广泛应用。 w h i t a k e r 和b e a r 结合经典输运理论、空间平衡定律，在作了必要的假设，将 多相组份的多孔介质转化为更粗水平上的假想连续介质，通过发展平均体积单元 的平衡方程，形成了多孔介质中热湿耦合传递的多项运动方程和能量方程1 2 5 。 方程的各项具有明确的物理意义，且各系数都可从试验中获得。 k e r e s t e c i o g l u 等人提出了非饱和状态下含湿多孔介质中有蒸发冷凝现象存在 时热湿耦合传递问题的数学模型【2 6 】。文献 2 7 】【2 8 】提出了一种利用拉普拉斯变化 和一个变化方程求解热湿耦合问题的方法。 目前复合墙体大量使用对复合墙体也有大量的研究，较为系统的研究复合墙 体传热、传湿特性的是i b u d a i w e i 等人，他们建立了评价复合墙体瞬态热湿的动 力学模型【2 9 1 ，并用隐式差分处理复合墙体各层的温湿度。 由于实际情况中材料多孔结构的不确定性，材料导热系数与含湿率之间的关 系异常复杂，至今仍没有明确的公式来进行描述。苏联b h 考夫曼通过实验研 究，对于建筑材料含湿状态的导热系数整理了一个公式： ，片 五。= 五。( 1 + = 二旦)( 1 8 ) 1 一 1 0 0 式中： 广材料在绝对干燥状态的导热系数； 万。一湿度修正系数，是以材料的容湿度每增加1 时系数增加的百分数， 考夫曼针对不同种类的材料整理了六个计算公式； 甜l _ 要修正材料的体积湿度。 9 硕+ 学位论文 第一章绪论 对于特性不清楚的材料的导热系数的湿度修正，国外也流行着这样一个近似 公式： a = 厶+ 蠡( 1 - 9 ) 式中：ad _ 材料在绝对干燥状态的导热系数； 甜一要修正材料的重量湿度。 欧美等发达国家在浆体保温材料的研究与应用方面起步较早，技术较为成 熟，在研究和应用上已卓有成效【3 0 】。目前发达国家在浆体保温材料研制开发方 面，是以轻质功能复合浆体保温材料为主，此类浆体保温材料的各项性能较传统 浆体保温材料明显提高。但专门针对复合保温砂浆的含湿导热系数的实验研究还 很少。 1 3 2 国内研究现状 我国多孔介质传热传质的研究始于上世纪5 0 年代，从对国产保温材料的热 物性测试及泥煤的干燥开始，经历了几十年的研究历程，取得了一批有价值的研 究成果。多孔介质传热传质在“八五”计划时已被列为国家自然科学基会重点课 题，在国家自然基金的资助下，研究工作取得了重大进展。 我国近年来发展了很多测试多孔材料的湿物性参数的有效手段和方法。王补 宣提出了常功率平面热源法【3 i 】，用此法测定了含湿加气混凝土砌块的导热系数 和导温系数，并从实测的总当量导热系数中扣除了湿迁移的影响，得到了真导热 系数，发现其与含湿量之间呈线性关系。而后，王补宣又提出了利用热探针法现 场同时测定松散介质的导温系数和导热系数的加热冷却法【3 2 1 、利用动态热线法 同时测定导热系数和导温系到3 3 1 。