硅藻土基调湿材料内热湿迁移过程及其在建筑中的应用研究
发布时间：2019-08-15 09:37
【摘要】：室内相对湿度直接影响人体舒适度、物品保存及建筑能耗等,其中涉及医药、化工、食品、文物保存、仪器维护等领域。调湿材料是一种能够被动控制室内相对湿度的多孔建筑材料,有板材、涂料和装饰品等形式。调湿材料的结构复杂性和调湿过程的非线性特征,导致目前调湿材料中热湿迁移机理,特别是孔隙结构对调湿材料中热湿迁移过程的影响尚未充分揭示。与此同时,调湿材料应用于建筑墙体内侧的调湿效果等还缺乏深入、充分的研究。为此,本文开展了关于硅藻土基调湿材料(Diatomite Based Humidity Control Material, DBHCM)调湿性能优化,调湿机理的理论分析、数值模拟和实验验证,以及其应用于建筑墙体内侧的仿真模拟等方面的研究并取得以下结论：(1)通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和X射线能谱分析(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy, EDS)等手段表征了煅烧前后硅藻土孔隙形貌和微观区域元素分布参数的变化,发现采用煅烧预处理法可以有效提高硅藻土的孔隙容积,有利于细小孔隙的形成,从而提高硅藻土的调湿能力。与此同时,测量了煅烧前后硅藻土的吸、放湿量,从而分析煅烧温度和煅烧时间长度对硅藻土调湿性能的影响规律。研究结果表明,硅藻土的宏观调湿性能的差异源于其微观结构的不同以及元素成分的改变：800℃以上的煅烧温度以及8h以上的煅烧时间都会导致硅藻土孔隙结构的破坏,从而恶化硅藻土的调湿能力；硅藻土的孔隙越小而密,细小的裂缝越多,其调湿性能越好：煅烧可提高硅藻土的纯度,有助于提高硅藻土和水蒸气之间的相互作用；在相同煅烧温度(500℃)下,煅烧3h时的硅藻土的调湿性能最佳,此后硅藻土的调湿性能逐渐降低；在相同煅烧时间(3 h)下,过高的煅烧温度(800℃)或者过低的煅烧温度(200℃)都不能使硅藻土的调湿性能达到最佳,而是存在500℃的最佳煅烧温度。(2)研制出一种具有智能调湿功效的DBHCM。经过合适煅烧温度和煅烧时间长度处理后的硅藻土作为主要调湿原材料；水泥作为主要胶结和强度来源；石膏作为水泥缓凝剂来控制DBHCM的孔隙形成速率：粉煤灰作为辅助材料来节约水泥用量,从而起到工业废物再利用和降低成本的作用；杨树木粉起辅助调湿作用；配以适量的防霉剂和抗菌剂缓解室内空气品质问题。采用显微图像法和统计分析法对DBHCM的表面孔隙结构、孔径分布进行表征。通过接触角测量仪测量了DBHCM的接触角,从而反映其表面自由能。这为分析DBHCM的表面孔隙结构、孔径分布、表面自由能对DBHCM调湿性能的影响奠定实验基础。(3)建立了对流边界条件下DBHCM一维热湿耦合迁移数学模型。模型中考虑了毛细效应下DBHCM孔隙中的水分扩散,水蒸气分压力作用下DBHCM孔隙中水和水蒸气扩散,以及水和水蒸气之间的相变过程。研究了DBHCM的孔隙率、环境温度和环境相对湿度对其热湿耦合迁移过程的影响。与此同时,借鉴国内外相关材料吸放湿实验标准,对DBHCM进行吸湿实验、放湿实验。实验结果表明,DBHCM的调湿性能具有孔隙结构敏感性,随着孔隙率的变化,DBHCM的吸、放湿曲线呈非均匀变化,孔隙率越小的DBHCM的吸湿量和放湿量均越大；环境温度对DBHCM中热湿耦合迁移过程影响不显著,不同的环境温度(最大相差20℃)对其吸、放湿量的影响均在10%左右,且对DBHCM本身温度分布影响小于l%；DBHCM的孔径尺寸越小、小孔径孔隙数量越多,其调湿性能越好。(4)针对DBHCM的复杂多孔结构,采用随机生长法构造出各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔隙分布和分形维数不同的多孔介质。分析了计盒维数和分形谱维数在研究多孔介质孔隙中物质扩散的适用性。采用显微图像法和统计分析法对构造出的多孔介质孔隙结构、孔径分布进行表征,研究了多孔介质的微观孔隙结构对其孔隙内湿传递过程的影响规律。模拟结果表明,水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能很大程度上取决于孔隙的连通性,孔隙连通性越好,水蒸气在孔隙中的扩散性能越好；多孔介质的孔径分布和计盒维数在反映多孔介质孔隙中物质的动态传递特性时具有一定的局限性,而多孔介质的分形谱维数能够从微观角度真正反映多孔介质的孔隙连通性以及物质在多孔介质孔隙中的输运特性,多孔介质的分形谱维数越大表明此多孔介质的孔隙连通性和水蒸气在其孔隙中的扩散性能越好；各向异性-2(水蒸气扩散方向平行于各向异性多孔介质生长率较大的方向)多孔介质的分形谱维数大于各向异性-1(水蒸气扩散方向垂直于各向异性多孔介质生长率较大的方向)多孔介质的分形谱维数,而各向同性多孔介质的分形谱维数介于各向异性-1和各向异性-2多孔介质的分形谱维数之间。其他一些宏观参数(如水蒸气平衡扩散系数、多孔介质右上角的平衡水蒸气浓度以及多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程达到稳定时所耗费的时间等)也能反映多孔介质的孔隙连通性以及水蒸气在孔隙中的扩散特性。(5)采用有效湿渗透厚度模型,在室外气候条件及室内周期性湿负荷作用下,模拟了南京冬季典型气候下空间墙体内侧铺设和未铺设DBHCM,以及封闭空间和自然通风空间中铺设DBHCM时,室内空气温度、相对湿度和含湿量的变化规律。研究结果表明,墙体内侧铺设DBHCM能够减弱室外气象参数波动以及室内周期性湿负荷变化对室内空气温度、相对湿度和含湿量的影响：DBHCM的铺设能够将室内空气湿度参数控制在较小的范围,符合人体舒适度要求；DBHCM作为墙体内侧铺设时存在最佳厚度值为0.02 m,其铺设厚度应大于或者等于最佳材料厚度：当空间墙体内侧铺设厚度为0.02 m的DBHCM时,自然通风空间相比于封闭空间具有更多获得热量的途径,使自然通风空间内的温度高于封闭空间内的温度；自然通风空间内的空气相对湿度和含湿量相比于封闭空间内的空气相对湿度和含湿量更加接近于室外空气的相对湿度和含湿量：封闭空间和自然通风空间铺设DBHCM后分别能将空间内相对湿度控制在45%和50%左右,此范围符合人类对环境相对湿度舒适性的要求。本文工作系统地从DBHCM的制备,DBHCM孔隙结构特性的表征,DBHCM吸、放湿性能的测试,DBHCM孔隙中热湿传递模型的建立以及DBHCM应用于建筑墙体内侧的仿真模拟等方面,揭示了DBHCM的调湿机理。相关研究成果可为制备高性能调湿材料、建筑材料性能评价、预测建筑节能程度和指导建筑设计提供理论支撑和技术支持,是对现有调湿材料研究方法的有效补充和完善。
【图文】：
对湿度是ＡＳＨＲＡＥ推荐的符合人体舒适度的最佳相对湿度Ｗ。当室内相对湿度低于３０％逡逑时，会引起木材等变形（如图＾邋２（ａ）所示）、油漆脱层、混凝±开裂、皮肤的干燥、呼逡逑吸道感染、静电产生（如图１－２邋（ｂ）所示）、灰坐扩散，这对物品保存及人体健康产生隐逡逑患。当室内相对湿度大于６０％时，容易滋生细菌和微生物，使人们极易感染病茜，食逡逑品、纸张、皮革、纺织品等会发霉变形（如图１－２似所示），建筑、药品等会返潮（如逡逑图１－２（ｄ）所示），影响仪器的精密程度，缩短精密贵重仪器的寿命，引起金属表面镑蚀，逡逑电器绝缘性能下降，还会使人们感到潮湿、胸闷等不适感，诱发关节炎等疾病，从而逡逑恶化人类生活环境，降低人们生活品质。室内相对湿度由高到低或是由低到高的变化逡逑过程中，会使一些字画、文物和泛术晶等产生疲劳形变、摧色、截化或是镶嵌物脱落逡逑等现象，所造成的经济损失难１＾＾１估量。因此，适宜?
调湿机理不同，，分为物理调湿材料、化学调湿材料和复合调湿材料；根据调湿基材获逡逑取方式不同，分为天然调湿材料和人工调湿材料。结合多种分类方法，笔者认为最祥逡逑尽的分类方式如图１－４所示。逡逑「挂胶类调湿材料逡逑无机盐类调湿材料逡逑胃＾无机矿物类疆材料逡逑调酣料分类胃胃胃逡逑生物质类调湿材料［无机盐类调湿材料＋有机类调湿材料逡逑无机矿物类调湿材料＋有机类调湿材料逡逑°逦无机矿物基组合类调湿材料逡逑身：物质类调湿材料＋无机类调湿材料逡逑图１－４调湿材料的分类逡逑１．２．２．１x航豪嗟魇牧襄义蟬杲菏且恢志哂形⒖捉峁沟奈薅ㄐ味趸穑薅疚尬叮灾饰榷ǎ考睢㈠义习眑#酸外不与任何物质发生反应，化学方程式为Ｓｉ化．址２0，可由桂酸钢溶液经无机逡逑酸、有机酸式盐处理后干燥制得。过波中间产物Ｓｉ阳Ｈ）４自动聚合成Ｈ维交联的橡胶状逡逑凝胶，孔径约为Ｋ￣邋２００Ａ。娃胶的比表面积可达７００邋ｍ２／ｇ，并且对极性分子（＆０）逡逑的吸附能力超过对非极性分子（如烧控类）的吸附能力。因此，巧胶在工业上主要用逡逑作吸湿剂，它能吸收重量为自身重量一半的水份，且此过程可逆，即原则上s杲嚎勺麇义衔魇牧稀５峭藿涸谒奈接虢馕分谐氏纸涎现氐闹秃笙窒螅佣蛊溆﹀义希靛义
本文编号：2526915
【图文】：
对湿度是ＡＳＨＲＡＥ推荐的符合人体舒适度的最佳相对湿度Ｗ。当室内相对湿度低于３０％逡逑时，会引起木材等变形（如图＾邋２（ａ）所示）、油漆脱层、混凝±开裂、皮肤的干燥、呼逡逑吸道感染、静电产生（如图１－２邋（ｂ）所示）、灰坐扩散，这对物品保存及人体健康产生隐逡逑患。当室内相对湿度大于６０％时，容易滋生细菌和微生物，使人们极易感染病茜，食逡逑品、纸张、皮革、纺织品等会发霉变形（如图１－２似所示），建筑、药品等会返潮（如逡逑图１－２（ｄ）所示），影响仪器的精密程度，缩短精密贵重仪器的寿命，引起金属表面镑蚀，逡逑电器绝缘性能下降，还会使人们感到潮湿、胸闷等不适感，诱发关节炎等疾病，从而逡逑恶化人类生活环境，降低人们生活品质。室内相对湿度由高到低或是由低到高的变化逡逑过程中，会使一些字画、文物和泛术晶等产生疲劳形变、摧色、截化或是镶嵌物脱落逡逑等现象，所造成的经济损失难１＾＾１估量。因此，适宜?
调湿机理不同，，分为物理调湿材料、化学调湿材料和复合调湿材料；根据调湿基材获逡逑取方式不同，分为天然调湿材料和人工调湿材料。结合多种分类方法，笔者认为最祥逡逑尽的分类方式如图１－４所示。逡逑「挂胶类调湿材料逡逑无机盐类调湿材料逡逑胃＾无机矿物类疆材料逡逑调酣料分类胃胃胃逡逑生物质类调湿材料［无机盐类调湿材料＋有机类调湿材料逡逑无机矿物类调湿材料＋有机类调湿材料逡逑°逦无机矿物基组合类调湿材料逡逑身：物质类调湿材料＋无机类调湿材料逡逑图１－４调湿材料的分类逡逑１．２．２．１x航豪嗟魇牧襄义蟬杲菏且恢志哂形⒖捉峁沟奈薅ㄐ味趸穑薅疚尬叮灾饰榷ǎ考睢㈠义习眑#酸外不与任何物质发生反应，化学方程式为Ｓｉ化．址２0，可由桂酸钢溶液经无机逡逑酸、有机酸式盐处理后干燥制得。过波中间产物Ｓｉ阳Ｈ）４自动聚合成Ｈ维交联的橡胶状逡逑凝胶，孔径约为Ｋ￣邋２００Ａ。娃胶的比表面积可达７００邋ｍ２／ｇ，并且对极性分子（＆０）逡逑的吸附能力超过对非极性分子（如烧控类）的吸附能力。因此，巧胶在工业上主要用逡逑作吸湿剂，它能吸收重量为自身重量一半的水份，且此过程可逆，即原则上s杲嚎勺麇义衔魇牧稀５峭藿涸谒奈接虢馕分谐氏纸涎现氐闹秃笙窒螅佣蛊溆﹀义希靛义
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