调湿板的研究与应用.doc

时间抓起来是金子，抓不住就是流水调湿板的研究与应用 Study and application on hygroscopic board 摘要调湿板是一种在水泥砂浆中掺混了调湿材料的建筑板材，由于调湿材料能自动吸放水蒸气，因此，调湿板具有调节室内湿度的作用。本文调湿板中的调湿材料是高分子树脂吸收了盐溶液后形成的凝胶。文章对该类型调湿板在北京地区的 应用 效果进行了数值模拟， 计算 结果表明在北京的气候条件下，调湿板对办公型建筑的室内湿度调节有明显作用。 关键词调湿；凝胶；数值计算 Abstract Hygroscopic board is made of a mixture of cement mortar and hygroscopic material. It can adjust the indoor humidity for the hygroscopic material can absorb and evaporate the water vapor automaticaly. The hygroscopic material mentioned in this paper is a super absorbent polymer gel which absorbs aqueous solutior of calcium chloride. The numerical computation of indoor humidity of an office room in BEijing was carried. The results show that the hygrocsopic board can adjust the indoor humidity prominently. Key words hygroscopic; gel; numerical computation 传统的空调除湿方式低温冷凝除湿须制备低温冷冻水，能耗较大。调湿板是利用调湿材料对水蒸气的自动吸放作用调节室内湿度，调湿过程无能耗。日本已开发出多种调湿板产品，并应用于博物馆、美术馆等建筑中，所使用的调湿材料主要是沸石。以高分子凝胶为调湿材料的调湿板产品尚未报道。 1 调湿材料Gel的特性 Gel是由高分子树脂吸收了盐溶液后形成的凝胶，其调湿原理是利用凝胶中的盐溶液对水蒸气的吸收与释放作用。常用的盐溶液为Cacl2。图11是几种常用调湿材料的在不同相对湿度下的平衡含水率曲线，实验环境温度为25。可以看出同样的相对湿度变化范围，Gel的含水率变化要远大于沸石及硅胶，是一种较理想的调湿材料。 图1 不同材料的平衡含水率曲线 Fig.1 The equilibrium moisture contain of different materials 2 数值计算 金招芬等人曾用CaCl2凝胶掺混到水泥、珍珠岩等材料中，制成板状作耐火材料，并测定了其水蒸气扩散系数Deff2。图23是该耐火材料在不同相对湿度下的平衡含水率曲线，实验环境湿度为25。从图2可以拟合出相对湿度与板材含水量水率C的关系式： C=1.4474-0.0166 （1） 图2 调湿板平衡含水率曲线 Fig.2 The equilibrium mositure contain of the hygroscopic board 由于一定浓度的盐溶液，在不同温度下均对应相同的相对湿度，因此当假设调湿板中的盐溶液仍保持该特性时（1）式适用于其它温度范围。在温度t=040，相对湿度=30%85%范围内，相对湿度与绝对含湿量X的关系为 =230Xe0.062t;4 (2) 联立（1）、（2）便可得出绝对含湿量X与含水率C的关系式： X=2.890810-3e0.062tC+4.798710-5e0.062t (3) 3 数学模型 图3是一维板壁质扩散示意图，x=0处与房间空气接触的表面，x=x0处是绝湿表面。 基本方程：板壁一维非稳态质扩散方程： （4） 图3 一维板壁质扩散示意图 Fig.3 The schematic diagram o the problem 房间湿平衡方程： （5） 边界条件 （6） 其中对流传质系数hin由（7）式算出 （7） 初始条件： =0，0xx0,C=C0 =0,Xr=Xr0 (8) 4 计算条件 地点：北京；时间：代表年，气象数据由供热空调能耗 分析 用逐时气象数据生成系统Medpha得到；其它计算条件如表1所示。 表1 计算条件 Table 1 Parameters for computation 房间基本情况房间体积 553m3门 21m2窗 22m2调湿板面积 6.2m2室内温度设置4、5月 246、7、8月 289、10月 2411、12、1、2、3月 20室内产湿（人员产湿）人数3产湿时间 8：0018：00（周一五）产湿量（极轻劳动） 20：69g/h, 24:96g/h, 28:123g/h4新风量8：0018：00（周一五）30m3/h.人其它时间0调湿板相关参数板厚x020mmDeff3.1710-10m2/s2hin0.001278m/s * 调湿板面积为除去门窗、地板以外的内壁面积的80%。 * 该值是利用流体掠过平壁的对流传质公式（7），并设风速u=0.3m/s,定性尺寸1=2.5,在常温时查得空气物性参数算 得。 联立方程（4）、（5），利用隐式有限差分法求解，可得全年各时刻壁体各部位的含水率及房间绝对含湿量；再根据相对湿度与绝对含湿量的关系式（2），可得各时刻室内相对湿度。 5 计算 结果 表2 给出了有无调湿板两种情况下的室内相对湿度全年最大、最小值及人体舒适区（RH=30%70%6出现的时间占整个工作时间（周一五8：0018：00）的百分比。图4给出了室内每天工作时间段内的平均相对湿度全年变化。 表2计算结果 Table 2 Results of the computation 全年最大值全年最小值RH=30%70%的百分比 有调湿板 =78.5% =32.2% 95.7% 无调湿板 =100% =13.4% 47.9% 1 图4 室内相对湿度全年变化（日平均） Fig.4 The indoor relative humidity change of one year (daily average) 从表2及图4可以看出： 1) 使用调湿板后室内相对湿度在32%到78%之间波动，无调湿板时室内相对湿度在13%到100%之间波动，调湿板能减小室内相对湿度的日波动及年波动； 2) 有调湿板时，95%以上工作时间段内的室内相对湿度在人体舒适区内，远远超过没有调湿板的47.9%。 6结论 对于北京地区的办公型建筑，若在室内四周墙壁及天花板使用20mm厚的调湿板，在没有其它调湿手段的情况下，室内相对湿度绝大部分时间在舒适区内，冬季加湿效果尤其显著，夏季室内相对湿度绝大部分时间在70%以下。由此可见在北京地区的气候条件下，调湿板的 应用 可完全或部分取代空调加、除湿系统。 变量说明: dry-调湿板中干材料的密度（kg dry solid/m3）; Deff-水蒸气在空气中的扩散系数（m2/s） Dair -水蒸气在空气中的扩散系数（m2/s） C-板壁含水率（kg/kg dry solid） X0-室外空气绝对含湿量（kg/kg dry air） Xr-室内空气绝对含湿量（kg/kg dry air） hin-对流传质系数（m/s） air-空气密度（kg/m3） 调湿板定性尺寸（m） -运动粘度（m2/s） q-产湿量（kg/s） u-风速（m/s） Ue-换气量（m2/s） Ur-房间体积（m3） -时间（s） X-位置（m） x0-板厚（mm） Sc-施密特数 t-温度（） -相对湿度 S-调湿板面积（m2） 参考 文献 ： 1) Zhao-Fen Jin, et al. Thermal and Water storage Characteristics of Super-Absorbent Polymer Gel which Absorbed Aqueous Solution of Calcium Chloride J. Thermophysics and Heat Transfer Conference, ASME 1998, Volume 4,3-10. 2) Y ASAKO, K MAEDA, A JIN and Y YAMAGE-CHI, Effective Moisture Diffusivity of Super Absorbent Polymer Gel and Pearlite-Mortar with Gel, Asia-Oce-ania Association for Science and Technology, Singapore, 1998,359-370. 3) Zhao-fen JIN, Yutaka ASKAO, et al. Fire resistance test for protection materials with high water content. Int