相变调湿墙体内部热湿传递特性研究

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相变材料可增强墙体的调温性能,调湿材料可增强墙体的调湿性能,因此将它们联合应用于墙体应可同时增强墙体的调温性能和调湿性能。目前对于相变材料和调湿材料联合应用于墙体的作用效果研究较少,相变调湿墙体内部热湿耦合传递特性尚不明晰。相变材料和调湿材料混合后是否可以产生1+1>2的效果?这一问题的研究需要强大的理论作为支撑,目前国内外学者对于相变调湿墙体热湿耦合传递的理论研究较少,因此本文希望从机理层面对相变调湿墙体内部热湿传递特性开展研究。首先,对不同湿驱动势下(包括材料含湿量、空气含湿量、水蒸气分压力、水蒸气密度和相对湿度)最典型的单层调湿墙体热湿耦合传递模型进行了整理、详细推导和对比,以指导学者进行墙体热湿耦合传递模型选择和优化。对比结果发现在相同的模型假设下,不同驱动势模型之间可相互转化,彼此之间等价。其次,引入相变因子同时对常用热传递模型和湿传递模型进行等价简化,建立了一个新的以相对湿度为湿驱动势的调湿墙体热湿耦合传递模型。和常用热湿耦合模型相比,新模型耦合性降低且模型系数得到简化,有利于模型的数值求解。通过推导等温与非等温下相变因子表达式,解决了目前相变因子模型用恒定实验经验值不准确以及相变因子测量困难的问题。对建立的新模型进行了解析解和实验验证,吻合度较高。接着,从参数优化、算法优化和参数表征三个方面对现有调湿墙体热湿耦合传递模型进行优化。参数优化方面,以纤维素绝热材料为例,考虑并分析了温度和相对湿度对液态水传导系数、湿扩散率的影响,并探究温度、相对湿度和温度梯度对相变因子的影响。算法优化方面,首先对比不同时间步长大小下TDMA和迭代法的计算时间和求解精度;然后对TDMA求解误差与时间步长大小之间进行敏感性分析;最后基于敏感性分析结果提出一种变时间步长-TDMA优化算法。研究结果表明:相比于普通TDMA,提出的变时间步长-TDMA算法具备相同的计算精度,但用时更短,计算用时可减小57.4%。参数表征方面,引入相变因子量化墙体中水蒸气传递量占总湿传递量的份额,用作衡量墙体中液态水传递是否可以忽略的评价指标;提出一个新的参数即温度梯度因子量化温度梯度引起的湿传递量占总湿传递量的份额。通过设定两组不同的模拟案例对纤维素绝热材料进行了非等温工况下湿传递特性研究。研究结果表明:当纤维素绝热材料中相对湿度小于60%时,材料中液态水传递可忽略不计;材料中温度梯度引起的液态水传递量可以忽略。最后,基于建立的简单精确高效的调湿墙体热湿耦合传递模型,结合等效热容法和焓值法建立了两种相变调湿墙体热湿耦合传递模型;基于模型,对比探究了采用三种不同相变材料配比的石膏板基相变调湿墙体内部热湿耦合传递特性;通过控制变量法,量化分析不同热湿物性参数包括湿容、水蒸气渗透率、相变潜热和导热系数对相变调湿墙体内部热湿传递特性的影响。研究结果表明:相变调湿墙体对于室外温度和湿度谐波均具备衰减和延迟作用,能达到既能调节室内温度又能调节室内湿度的目的,降低建筑能耗。相比于调湿墙体,相变调湿墙体可以进一步降低内表面热流密度和内表面湿流密度,相比于纯石膏板调湿墙体,CMPCM-5相变调湿墙体表面处热流密度和湿流密度变化振幅分别下降26.8%和34.1%,CMPCM-15相变调湿墙体表面处热流密度和湿流密度变化振幅分别下降29.9%和28.6%。因此调湿墙体中相变材料的添加可降低表面热流密度和表面湿流密度,从而降低建筑能耗和墙体内部冷凝风险,相变材料和调湿材料混合后可以产生1+1>2的效果,且存在最优相变材料配比使得墙体表面湿流密度变化振幅降低幅度最大。
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