调湿建材在湿驱动势下对围护结构与室内热湿分布的影响

Although building hygroscopic materials may be applied to alleviate the humidity variation, nevertheless, research efforts are so far scarce on the conditioning mechanisms of these materials on the envelope structure, indoor temperature, humidity and air flow distribution. Owing to the complexity in the heat and moisture dynamic transfer process in the porous building materials, the thermal conductivity used in conventional theoretical models are typically those measured under absolute dry conditions. In consequence, the thermo-engineering performance of the whole building envelope in service is much lower than predicted by simulation as there are a great quantity of moisture in the envelope, particularly in the insulated materials.Based on basic principles of heat transfer and energy/mass conservation, the proposed research aims at establishing a theoretical model of heat and moisture transfer in the porous building materials by taking into account the moisture percentage dependence of thermal conductivity. The heat and mass transfer on the surface of humidity conditioning materials will also be experimentally investigated under different air flow distribution. Moreover, coupling model of heat and humidity dynamic transfer in the envelope with indoor CFD simulation will be established and then validated by moisture adsorption and desorption experiments. This proposed project is expected to proffer a theoretical basis of accurate evaluation of thermo-engineering performance of envelope structure in service, as well as humidity-induced envelope problems such as energy lost, condensation and moulding.

调湿建材作为功能性材料的开发应用，尽管可以缓解围护结构和室内空间的湿度变化幅度，但是关于调湿建材对围护结构和室内温度、湿度、气流分布的作用机理的研究几乎没有。由于多孔介质建筑材料内热湿动态传递过程的复杂性，既往理论模型中使用的材料导热系数是在绝干状态下测量的定值。而实际建筑围护结构中，尤其是保温材料内含有大量水分，整体围护结构在使用状态下热工性能远比模拟评价的性能低下。本项目基于传热学、能量守恒、质量守恒基本原则，考虑材料导热系数在不同含水率下的变化，提出更为准确的多孔介质建筑材料内热湿传递过程理论模型；通过实验掌握不同气流分布下，调湿建材表面的传热传质规律；建立围护结构热湿动态传递与室内空间CFD计算的耦合模型，并通过吸放湿实验验证耦合计算模型。本项目为准确评价围护结构使用过程中的热工性能；解决围护结构由于湿度变化过大造成的能源损失、结露、发霉等问题提供理论依据。

湿度环境是建筑中非常重要且难以控制的因子，目前建筑中对湿度环境的控制主要采取机械的手法。本项目首先对不同气候区域下居住建筑室内温湿度环境的现状进行实测调研，结果显示以上海为代表的夏热冬冷地区，很多住宅冬季不使用采暖设备，室内温度仅比室外高出0-2℃，造成室内长时间维持相对湿度>70%的高湿环境。在此实测的基础上，对温度突变、温湿度环境等对人员健康的影响进行问卷调查、实测调研、以及统计和实验分析，得出了温度突变下人体容易出现的不适症状；而在对上海小学生进行问卷调研时发现，儿童中近六成有过敏、哮喘、呼吸道等疾病。对患病和健康儿童家庭进行详细居住环境实测的结果比较，患病儿童家庭冬季室温明显偏低，相对湿度偏高，CO2浓度偏高，室内PM2.5，PM10浓度明显高于健康儿童家庭；以上说明不理想的温热环境、通风不畅、微细颗粒物等都是儿童患病的潜在因素。针对湿度环境的调节，选择不同种类调湿建材，对其应用效果进行实测、实验等研究。在相同实验条件下测定了稻草板和两种常用建筑调湿材料（硅藻泥及多孔无机矿物质瓷砖）的等温吸湿、放湿曲线，比较了三种材料调湿特性的差异性。调湿建材在实际建筑中应用时表现出的调湿性能不仅受材料自身性能的影响，还受到建筑中调湿材料的负荷率、房间尺寸、室内湿源、通风换气量等的影响，故而在一系列吸放湿实验（人工气象室、室外实验室）的基础上，提出了吸放湿效果的评价指标，并利用多元线性回归分析的方法，定量计算了三种不同调湿建材的吸放湿效果与材料负荷率、换气次数的关系。在数值计算上，建立围护结构与空气中的物理量耦合模型，求解围护结构与空气中的非定常温度、湿度、气流分布变化，并与人工气象室精确实验的结果进行验证。本研究提出的耦合模型能够较好的再现调湿材料的吸放湿过程以及空间的湿度分布。项目自启动以来，研究成果已在SCI检索期刊上发表论文4篇，EI检索国际会议论文3篇，中文核心期刊1篇，审稿中的SCI检索论文1篇。