生土建筑围护结构表面吸放湿过程实验研究.doc

生土建筑围护结构表面吸放湿过程实验研究摘要:陕南地区的生土建筑是一种独特的民居建筑.为了定量地研究生土建筑室内热湿环境,确定生土建筑围护结构表面吸放湿过程质交换系数是一项基础工作.建筑围护结构表面的热湿迁移过程是一个典型的边界层内的流动、传热和传质过程,该过程的微分控制方程比较复杂,求解困难.首次实验研究了生土建筑材料的等温吸放湿过程,提出了生土建筑围护结构表面质交换系数实验测试方法,实测分析计算结果与利用对流质交换相似关系计算得到的表面质交换系数比较吻合.本研究为定量地分析生土建筑室内热湿环境奠定了科学基础.关键词:生土建筑;表面吸放湿;质交换系数;环境中图分类号:TU119.1 文献标识码:A 文章编号: 1001-7569(2003)04-0016-04Experimental study on moisture absorption and desorption process ofadobe building envelopeYAN Zeng-feng1,ZHAO Jing-yuan2,LIU Jia-ping1(1.School of Architecture, Xi an University of Architecture &Technology, Xi an 710055, China;2.School of Architecture, Chang an University, Xi an 710061, China)Abstract: The adobe building in the southern part of shaanxi province is a unique residen-tial building in the world. It is a fundamental work to determine the surface mass transfer co-efficient for evaluating the indoor thermal and moisture environment of adobe buildings. Thesurface absorption and desorption process of building materials is a typical fluid boundary lay-er problem with heat and mass transfer. The controlling differential equations are highly non-linear, which are difficult to solve analytically. Experiments have first been conducted tostudy the surface moisture absorption and desorption process of adobe buildings. This paperproposes the methods of determining the surface mass transfer coefficient of building materi-als. Comparison with experimental results and Lewis relationship solutions shows satisfactoryagreement with the proposed methods. This work lays the foundation of dynamic modellingthe indoor thermal and moisture environment of the adobe building.Keyword:adobe buildings; surface moisture absorption and desorption; surface masstransfer coefficient; enviroment研究如何利用自然能源改善建筑室内环境,创造具有良好生态环境的低能耗健康节能建筑,开展绿色建筑研究,探索传统民居的绿色生态经验和技术,研究传统民居的再生与发展,这些课题已成为世界各国学者普遍关注的研究课题1.陕南地区的生土建筑是一种独特的居住建筑,本文根据研究课题的需要,定量地开展了生土建筑围护结构表面吸放湿过程的研究,首次实验研究了生土建筑围护结构表面等温吸放湿过程表面质交换系数的实验确定方法.建筑围护结构表面的热湿迁移过程是一个典型的边界层内的流动、传热和传质过程2.多孔材料在表面进行汽化或凝结,在湿迁移势的驱动下水蒸气与多孔介质周围环境进行热质交换.由于多孔材料表面的热湿迁移过程受多种因素的影响,因而使得边界层内的传热传质过程变得比较复杂.对多孔材料表面的热湿迁移特性的研究,可以通过直接求解某此简化条件下的边界层微分方程组来确定表/面传热传质能力,由边界层理论导出的微分控制方程比较复杂,呈现高度非线性,主要从事建筑热工研究.解困难.在实际使用多采用对流质交换的相似准则关系式推导出表面质交换系数进行求解.本文在实验室环境下,对夯土墙表面质交换系数进行了测试研究,并将实测分析计算结果与利用Lewis关系2,3计算得到的夯土墙表面质交换系数比较研究,以其能够提高建筑围护结构表面吸放湿量计算精度,同时也能够使之适用于工程计算,为使建筑湿环境研究成果逐步应用到建筑工程实践中奠定理论基础和提供简便算法.1 实验原理为了定量地研究夯土墙的吸放湿过程,本文在实验室中进行了一系列相关实验,实验选用一个从实际建筑上采集到的夯土墙试块,试块尺寸为4 cm4 cm3 cm,试块除一个表面与环境进行质交换外,其余5个面均进行了隔湿处理.实验在一个温湿度稳恒的环境中进行,在上述条件下,试件与环境空气中进行湿分交换,可用下面的微分方程组描述2Wt=aw 2W x2W=W0 (t0,0x0)-Dwm W xx=0=hmWai(t)-W(0,t)(1)实验过程中,保持环境空间温度和相对湿度恒定,即Wai(t)=c(2)根据文献4的推导,在忽略材料中的湿迁移阻力情况下,即(hmL/D-)sat/m( u/ )0)-DWm W xx=L=hmW x=L-Wai (7)式(6)中各个物理量的含义分别为:(x,t)可以称为过余湿度(类比于过余温度),(x,t) =W(x,t)-Wai;0=W(x, 0) -Wai;n为方程=Bicos的特征值,方程中Bi的定义式为5:Bi=hmLDV.此外,定义相应的傅立叶准则数Fo为:Fo=awtL2,它可以称为非稳态质迁移过程的无量纲时间.式中aw=DVmCm,称为导湿系数.把上述物理量代入式(6),可以得到W(x,t) -Wai= (W(x,0) -Wai)n=12sinnn+ sinncosncos(nxL)exp(-2nawtL2) (8)研究表明5,当Fo0.2时,用式(8)级数的第一项来描述无量纲湿度以足够精确,即(x,t)0=2sin11+sin1cos1cos(1xL)exp(-21Fo) (9)或写成W(x,t)-Wai=(W(x,0)-Wai)2sin11+sin1cos1cos(1xL)exp(-21Fo) (10)根据上式,就可以得到试件内部的比湿17第4期 闫增峰,等:生土建筑围护结构表面吸放湿过程实验研究 W(x,t)分布.同时,经过一个时间段t,试件表面吸湿或放湿量可以用下式计算Wm=hmAmt0(Wai-W(L,t)dt(11)可以对上式进行数值积分计算.另外,试件表面吸湿或放湿量也可以近似地用下式计算Wm=hmAm(Wai-W(L,t)+W(L,0)2)t(12)式中:t为计算时间.利用式(11)和(12)对有关实验测试数据进行分析处理,也可以求出夯土墙表面的质交换系数hm,从而为hm提供了另一种测试方法.本文将分别利用式(4),(5),(11)和(12)对测试数据进行分析处理,求出试块表面的质交换系数hm.2 实验过程将夯土试块放在105的烘箱中烘干至恒重,自然冷却后取出,用精密光电天平( 0.1 mg)测量其质量,然/jszclw/后快速地进行隔湿处理,再测其质量后,将试块放入干燥皿中,在干燥皿中,利用饱和盐水溶液创造了稳定的相对湿度环境6.试件在干燥皿中充分吸湿达到平衡状态,时间大约为14 d以上.将达到吸湿平衡的试件从干燥皿中取出,置于具有一定相对湿度的环境中,开始对试件按一定时间间隔称重.时间间隔是这样设定的:最初3.5 h内每0.5 h测一次,在随后的47 h内每h测一次,其后1 d则是测3次,随后几d则是1 d测1次,共测100 h以上.实验中,分别利用饱和盐水溶液创造了97%(硫酸钾饱和溶液)和32.8%(氯化镁饱和溶液)的相对湿度环境,使试件在干燥皿中充分吸湿达到平衡状态.将达到吸湿平衡的试件从干燥皿中取出,置于稳定的温湿度环境(平均气温25.2,平均相对湿度69.2%)与环境空气进行湿交换.实验环境的温湿度监控利用数字式温湿度计进行,由于实验空间内部湿源稳定且封闭性好,稳恒的温湿度环境调控时,主要是控制环境温度.3 实验结果与分析本文根据所得到的测试数据,进行曲线拟合分析,得到了测量试块质量随时间的变化规律为m(t)=m0+Aexp(Bt) (13)对上式进行数学处理,且两边除以试件吸放湿的表面积Am,则得到J=1Amdm(t)dt=ABAmexp(Bt) (14)结合式(4,5)、(11,12)和(13,14),便可求出夯土墙的表面质交换系数.为了得到精确的试件吸放湿量随时间变化曲线,本文利用软件对所得到的测试数据,进行曲线拟合分析,得到了夯土墙试件表面吸湿、放湿过程中试块质量随时间变化的曲线拟合函数关系式分别为:放湿过程m(t)=188.582 29+0.374 1exp(-0.072 37t)(15)吸湿过程m(t)=187.909 23-0.296 6exp(-0.041 66t)(16)实验得到的试块质量随时间变化的拟合曲线如图1和图2所示.图1 试件吸湿过程拟合曲线 图2 试件放湿过程拟合曲线18 长安大学学报(建筑与环境科学版) 2003年 根据公式(4),(5),结合夯土墙表面吸湿、放湿过程中试块质量随时间变化的曲线拟合函数关系式,得到夯土墙表面质交换系数值(表1).表1 夯土墙表面质交换系数分析结果质交换系数吸湿放湿Lewis关系式hm0.002 1 0.003 2 0.003 4h1m2.3510-33.5810-33.8110-3根据夯土墙试块等温吸放湿模型的解析解推导的表面吸放湿计算公式(11),(12),结合夯土墙表面吸湿、放湿过程试块质量随时间变化的曲线拟合函数关系式,得到夯土墙表面质交换系数值(表2).表2 夯土墙表面质交换系数分析结果质交换系数吸湿放湿Lewis关系式hm0.002 3 0.003 5 0.003 4h1m2.3310-33.8710-33.8110-3以上两表中给出了两种量纲的表面质交换系数值,其中hm表示单位时间湿气迁移位移,h1m表示单位时间、单位面积和单位含湿量条件下的湿气质量变化率7.由表1和表2可以看出,利用两种计算方法得到的夯土墙表面质交换系数值基本接近,同时,这两种结果也和利用Lewis关系的到的数值较接近.这说明,被广泛采用的Lewis关系可以较为精确地确定夯土墙表面质交换系数.4 结 论本文通过对生土建筑围护结构的等温吸放湿过程的实验研究,得出以下主要结论:(1)本文首次进行了生土建筑围护结构表面质交换系数实验测试研究,提出了基于多孔介质等温传湿过程的分析解,给出了结合实验测试数据计算建筑材料表面质交换系数的测试理论.(2)本文利用文献4推导的近似公式,结合生土建筑围护结构表面吸湿、放湿过程中试块质量随时间变化的曲线拟合函数关/channel/系式,也得到了生土建筑围护结构表面质