多孔建筑材料热湿物理性能研究及应用

摘要

多孔建筑材料的热湿性能与建筑的整体能耗和室内的热湿环境密切相关。要想达到低能耗建筑、低碳经济的目标，在考虑多孔建筑材料热湿性能的前提下合理的设计围护结构就显得尤为重要了。由于缺乏基本的材料物性参数，特别是近年来出现的新型高分子化学建筑材料的基本物性参数，设计合理的节能型的围护结构的目标很难实现。于是，本文依托国家自然科学基金项目《新型节能建筑围护结构热物理性能与热工设计计算研究》(项目编号：50678163)对材料物性参数的确定和实验进行了全面、详细地研究，推导出了水蒸气和液态水扩散系数的表达式，最后还对表皮气候层围护结构的热工性能进行了模拟计算。主要工作如下：
　　 ⑴通过对建筑多孔材料电子扫描图片的初步分析，在串-并联模型的基础上推导出了水蒸气扩散系数和液体水扩散系数的计算公式，将液态水扩散系数与吸水系数联系起来，把水蒸气扩散系数和液态水扩散系数分开进行了表述，并提出利用参数辨识的方法对这两个扩散系数进行确定。
　　 ⑵对多孔材料的平衡湿度进行了研究，在GAUSS模型的基础上得到了多孔材料在整个湿平衡阶段的材料含湿量与空气相对湿度的关系，即平衡湿度曲线。该曲线囊括了吸湿阶段和超吸湿阶段两部分的信息，避免了常规的等温吸放湿曲线只包含吸湿阶段信息的缺点，为建筑围护结构同时进行液体水、水蒸气传递模拟计算以及考虑雨、雪等气候条件对建筑耐久性和能耗情况的影响提供了坚实基础。
　　 ⑶对材料物性参数的测量方法进行了研究，选取了与国际测试标准接轨的各种测试方法并对一些方法进行了发展。包括：①确定了吸水系数和水蒸气扩散系数的测试方法和条件，并把这些结果应用于研究新型保温砂浆的水蒸气扩散系数和液态水扩散系数；②研究了材料平衡湿度的分段测试方法，并探讨了人工获取相对湿度环境的途径；③考虑到环境湿度对测试过程的影响，发展了热流计测试导热系数的方法得到了动态测试导热系数的新方法并设计了具体的实验步骤；④讨论了材料孔隙率的测试，综合分析了直接测量体积法、统计法、压汞法、密度法和吸渗法等测量方法的优缺点后选择了吸渗法来测量孔隙率。
　　 ⑷以新型保温砂浆为例对基本物性参数进行了测试研究，通过数值计算得到了材料的平衡湿度曲线、水蒸气扩散系数和液态水扩散系数，并将结果用Delphin软件进行了验证。验证结果表面文中所得到的液态水扩散系数和水蒸气扩散系数确定方法的可行性。
　　 ⑸分别以实际新型保温砂浆和中建总公司研制开发的新型陶粒混凝土作为表皮气候层围护结构的被动蒸发层来研究淋雨工况下表皮气候层围护结构的相对湿度和传热量情况。研究了喷水量、喷水间隔时间以及喷水温度等方面对围护结构的传湿量和传热量的影响，同时还对可能影响能耗的两个主要物性参数，即材料的孔隙率和导热系数受含湿量的影响程度对传热量和传湿量进行了研究。研究结果表明，采用人工淋雨的被动蒸发技术来降低建筑能耗的效果显著。