建筑墙体调湿材料层吸放湿计算方法与简化模型研究

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调湿材料是一种能在室内湿度较高时吸湿在室内湿度较低时放湿的建筑墙体材料,不需消耗任何人工能源和机械设备,仅依靠调湿材料吸放湿的作用即可实现室内空气湿度的被动调节。然而,作为一种新型的功能材料,目前对于调湿材料的性能研究以及在实际中的湿动态模拟这两方面仍不够充分。本文以建筑墙体调湿材料为研究对象,提出并建立了一种简易的调湿材料吸放湿计算方法和一种简化动态湿传递模型及其参数辨识方法,利用该方法和模型对调湿材料的湿缓冲等调湿特性进行研究。本文首先基于墙体调湿材料吸放湿理论,建立了墙体调湿材料理论湿传递模型,同时对传统计算方法进行了介绍并指明既有研究的不足之处。针对传统计算方法的诸多不足,首次提出了一种简单高效的墙体调湿材料层吸放湿计算方法,即傅里叶变换-传递函数(FT-TF)计算方法,并从计算原理、计算方程和计算步骤等方面对该计算方法进行了详细描述。同时搭建了墙体调湿材料吸放湿实验测量平台,利用该平台进行调湿材料的吸放湿实验,并用实验测量结果对墙体调湿材料层吸放湿傅里叶变换-传递函数(FT-TF)计算方法进行实验验证。结果表明,采用本文提出的计算方法计算得到的结果与实验测量结果一致。在一个室内湿循环周期内,工况1和工况2时模型预测的吸放湿总量相对误差分别为3.6%和8.2%。本文提出的FT-TF计算方法准确性好,计算效率高。采用本文提出的FT-TF计算方法,可计算任意厚度的调湿材料的湿缓冲量并获得湿缓冲量随厚度变化的曲线,利用该曲线可方便地找出满足工程应用精度的调湿材料湿缓冲优化厚度。如对于黏土砂浆调湿材料,在室内湿度12小时高湿度12小时低湿度交替周期变化时,其湿缓冲优化厚度约为13.2mm。该方法只基于物性参数,无需实验,计算效率高,计算结果精确。同时,根据物性参数采用数学变换推导了墙体调湿材料湿缓冲优化厚度的理论解,根据室内湿环境的不同分别进行了理想湿缓冲优化厚度和实际湿缓冲优化厚度的理论推导,并进一步给出了相应的理论求解方程式。进一步提出了双层调湿材料结构的调湿墙体,首次对双层调湿材料墙体在不同湿度场下的湿缓冲性能进行了研究和评价,并对双层调湿材料的排列方式和厚度分布进行了优化,并指出在具有高湿渗透性的调湿材料内层加一层较薄的湿容较大的调湿材料,可以有效的增强调湿材料墙体的准稳态湿缓冲量和准稳态储湿量。如在纤维材料后增加一薄层石灰硅砖材料,其准稳态湿缓冲量可从40.0g/m2提升58.4g/m2,准稳态储湿量可从20.1g/m2提升到29.3g/m2。仅通过将两种不同属性的调湿材料组合在一起就可实现对其湿缓冲性能的改善。本文最后提出并建立了一种简化动态湿传递模型,并对简化动态模型的推导,模型参数的辨识方法、模型节点数的优化等进行了介绍,同时利用本文搭建的实验平台的测量结果对简化动态湿传递模型进行实验验证。本文进一步搭建了室内湿环境模拟平台,并利用标准案例对该室内湿环境模拟平台进行验证。利用该平台,模拟研究了调湿材料的应用面积、厚度以及建筑所处的气候等因素对调湿材料的实际调湿效果的影响。
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