多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数影响研究

摘要

建筑材料导热系数是建筑冷热负荷、能耗计算的重要热工参数之一。实际使用的多孔建筑材料大多有一定的含湿率，材料含湿后传热性能将发生改变。但目前的建筑冷热负荷计算方法及软件中，往往近似认为材料物性恒定，忽略其中湿分变化对材料导热过程的影响，造成传热量计算误差。因此，研究多孔建筑材料湿分与内部传热的定量变化关系，修正导热系数，对于建筑节能分析和暖通空调负荷计算均有重要意义。
　　建筑材料内部湿分含量、分布特征、传递特性是影响材料传热的重要因素，其不仅与材料孔隙结构特征有关，还受热湿传递环境影响。中国各地气候差异大，且材料结构各异。揭示材料中湿分含量、湿传递对传热过程的影响程度，定量计算后，方可准确掌握材料的传热性能。而从湿分的存在状态分析，建筑材料中湿分包括静态湿分布和湿迁移，两者对材料内部传热性能的影响机理并不相同。
　　针对以上问题，以揭示湿分与材料导热系数定量关系，提供含湿多孔建筑材料导热系数的修正计算方法为目标。利用理论分析、实验测试与数值计算的方法，研究多孔材料内部结构特征，探索湿分在其中的静态和迁移分布，揭示湿分布过程对材料内部传热作用，获得导热系数随湿分的因变特征。
　　针对静态湿分对多孔材料导热过程的影响作用，当前固、气共存导热模型仅考虑材料固体骨架和湿空气的传热作用，而忽视了材料内部吸附湿分和凝结态湿分的问题；依据材料内部的湿分状态变化形成的液、气空间替换，提出了固、液、气体共存导热物理模型。根据多孔建筑材料孔隙结构曲折连通特点，利用分形理论建立了基于毛细管结构的三相共存多孔材料导热系数计算模型。
　　利用该计算模型，分析获得孔隙率、孔径分布、含湿量、分形结构等静态湿分布参数对材料导热系数的定量影响关系。研究发现：随孔隙率的增加，导热系数变化率先减小后增加，孔隙率小于0.1时，变化率尤为明显；且饱和度越低，此变化特性越明显。最小与最大孔径比降低一个数量级，导热系数降低约10％。随迂曲度、迂曲度分形维数和面积分形维数的增加，导热系数逐渐减小，尤其是面积分形维数高于1.8时，此变化趋势更为明显。
　　针对湿分传递对导热过程的影响作用，通过热湿耦合机理分析，以水蒸气分压力梯度和温度梯度为驱动势，建立了无湿相变的热湿耦合传递控制方程。对当前材料内部湿凝结采用的宏观湿分扩散理论，无法反映湿分凝结机理的问题，在无湿相变条件的热湿耦合传递方程的基础上，引入相变湿源和热源两项，结合经典蒸发冷凝理论，建立了有湿相变的热湿耦合传递控制方程。根据多孔材料内部湿相变与温湿度场的相互影响作用，提出了附加导热量循环迭代计算方法，获得了湿迁移和湿相变引起的附加导热系数。
　　基于上述有无相变热湿耦合传递数学模型，通过大量分析计算发现，材料导热系数低于0.2W/(m·K)时，湿迁移引起的材料导热系数附加修正率变化较为敏感，而附加修正率随水蒸气渗透系数变化较为稳定。随两侧传热温差减小，湿迁移引起的附加导热系数修正幅度增大。在传热温差为10℃，当两侧水蒸气分压力从1000Pa增至4000Pa时，普通混凝土、粘土砖和加气混凝土导热系数可分别增大约2%、10%和35%。
　　针对居住建筑，在采暖期、空调期工况下，分析了外保温围护结构各层材料中静态湿分布和湿迁移对导热系数的定量影响。研究发现在上述两种工况下，静态湿分布存在导致普通混凝土主体材料导热系数约增大8%～10%。湿迁移对材料导热系数的影响，严寒及寒冷地区采暖工况下可忽略；在夏热冬冷及夏热冬暖地区空调工况下，普通混凝土附加修正率约为-10%～15%。综上，普通混凝土材料导热系数在采暖期综合修正约为8%～9%，空调期综合修正约为-5%～25%。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及主要内容

2 静态湿分布多孔建筑材料导热系数

2.1 概述

2.2 多孔建筑材料孔隙结构及湿分形态

2.3 固液气共存多孔材料微观导热机理

2.4 静态湿分布多孔建筑材料导热过程

2.5 静态湿分布建筑材料导热系数实验分析

2.6 小结

3 热湿耦合传递过程对导热系数影响

3.1 概述

3.2 多孔材料传热数学模型

3.3 多孔材料热湿耦合传递数学模型

3.4 湿迁移和湿相变引起的附加导热

3.5 小结

4 含湿多孔建筑材料导热系数影响因素分析

4.1 概述

4.2 静态湿分布多孔材料导热系数影响因素分析

4.3 湿传递对建筑材料导热系数影响分析

4.4 静态和迁移湿分对材料导热系数联合作用

4.5 小结

5 含湿多孔建筑材料导热系数综合修正

5.1 概述

5.2 热湿环境对导热系数的影响关系

5.3 各工况含湿建筑材料导热系数修正

5.4 含湿建筑材料导热系数对围护结构传热系数影响

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间论文发表及科研情况

图表目录