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生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程實(shí)驗(yàn)研究 摘要:陜南地區(qū)的生土建筑是一種獨(dú)特的民居建筑.為了定量地研究生土建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境,確定生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程質(zhì)交換系數(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的熱濕遷移過程是一個(gè)典型的邊界層內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程,該過程的微分控制方程比較復(fù)雜,求解困難.首次實(shí)驗(yàn)研究了生土建筑材料的等溫吸放濕過程,提出了生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,實(shí)測(cè)分析計(jì)算結(jié)果與利用對(duì)流質(zhì)交換相似關(guān)系計(jì)算得到的表面質(zhì)交換系數(shù)比較吻合.本研究為定量地分析生土建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境奠定了科學(xué)基礎(chǔ). 關(guān)鍵詞:生土建筑;表面吸放濕;質(zhì)交換系數(shù);環(huán)境 中圖分類號(hào):TU119.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1001-7569(2003)04-0016-04Experimental study on moisture absorption and deso rption 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內(nèi)環(huán)境,創(chuàng)造具有良好生態(tài)環(huán)境的低能耗健康節(jié)能建筑,開展綠色建筑研究,探索傳統(tǒng)民居的綠色生態(tài)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù),研究傳統(tǒng)民居的再生與發(fā)展,這些課題已成為世界各國學(xué)者普遍關(guān)注的研究課題[1].陜南地區(qū)的生土建筑是一種獨(dú)特的居住建筑,本文根據(jù)研究課題的需要,定量地開展了生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程的研究,首次實(shí)驗(yàn)研究了生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面等溫吸放濕過程表面質(zhì)交換系數(shù)的實(shí)驗(yàn)確定方法. 　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的熱濕遷移過程是一個(gè)典型的邊界層內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程[2].多孔材料在表面進(jìn)行汽化或凝結(jié),在濕遷移勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下水蒸氣與多孔介質(zhì)周圍環(huán)境進(jìn)行熱質(zhì)交換.由于多孔材料表面的熱濕遷移過程受多種因素的影響,因而使得邊界層內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程變得比較復(fù)雜.對(duì)多孔材料表面的熱濕遷移特性的研究,可以通過直接求解某此簡(jiǎn)化條件下的邊界層微分方程組來確定表http://www.shlunwen.com/面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)能力,由邊界層理論導(dǎo)出的微分控制方程比較復(fù)雜,呈現(xiàn)高度非線性,主要從事建筑熱工研究.解困難.在實(shí)際使用多采用對(duì)流質(zhì)交換的相似準(zhǔn)則關(guān)系式推導(dǎo)出表面質(zhì)交換系數(shù)進(jìn)行求解.本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,對(duì)夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試研究,并將實(shí)測(cè)分析計(jì)算結(jié)果與利用Lewis關(guān)系[2,3]計(jì)算得到的夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)比較研究,以其能夠提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕量計(jì)算精度,同時(shí)也能夠使之適用于工程計(jì)算,為使建筑濕環(huán)境研究成果逐步應(yīng)用到建筑工程實(shí)踐中奠定理論基礎(chǔ)和提供簡(jiǎn)便算法. 　　1 實(shí)驗(yàn)原理為了定量地研究夯土墻的吸放濕過程,本文在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)選用一個(gè)從實(shí)際建筑上采集到的夯土墻試塊,試塊尺寸為4 cm4 cm3 cm,試塊除一個(gè)表面與環(huán)境進(jìn)行質(zhì)交換外,其余5個(gè)面均進(jìn)行了隔濕處理. 　　實(shí)驗(yàn)在一個(gè)溫濕度穩(wěn)恒的環(huán)境中進(jìn)行,在上述條件下,試件與環(huán)境空氣中進(jìn)行濕分交換,可用下面的微分方程組描述[2] 　　Wt=aw 2W x2W=W0 (t>0,00)-Dwρm W xx=0=hm[Wai(t)-W(0,t)] 　　(1)實(shí)驗(yàn)過程中,保持環(huán)境空間溫度和相對(duì)濕度恒定,即Wai(t)=c(2)根據(jù)文獻(xiàn)[4]的推導(dǎo),在忽略材料中的濕遷移阻力情況下,即(hmL/D-)[ρsat/ρm( u/ )]<1 (3)可以近似地得到如下表達(dá)式[4] 　　u-(t)-u(ai)=[u(0)-u(ai)] 　　exp-hmPsattRvTmLρm( u- )(4)和J=hmρsat/RvTm( u- )[u-(t)-u(ai)] (5)式(4)和(5)計(jì)算得到了材料中含濕量U隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式.在實(shí)驗(yàn)中,通過對(duì)試塊的質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)測(cè)試,可以得到材料中含濕量U隨時(shí)間變化的真實(shí)數(shù)值,把所得到的測(cè)量數(shù)值,進(jìn)行擬合分析,就可以得到材料中含濕量U隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)關(guān)系式,把上述公式及對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到的函數(shù)關(guān)系式相結(jié)合,就可以求出夯土墻表面的質(zhì)交換系數(shù)hm,m/s,從而為hm提供了一種測(cè)試方法,這樣也同時(shí)驗(yàn)證了利用Lewis關(guān)系計(jì)算得到的數(shù)值的準(zhǔn)確程度. 　　此外,本文利用類比于平壁的加熱或冷卻過程的分析算法[5],對(duì)式(2)可以得到材料內(nèi)部的比濕分布θ(x,t)θ0=∑∞n=12sinβnβn+ sinβncosβncos(βnxL)exp(-β2nawtL2) (6)需要指出的是,上式對(duì)應(yīng)的邊界條件應(yīng)為W xx=0=0 (t>0)-DWρm W xx=L=hm[W x=L-Wai] (7)式(6)中各個(gè)物理量的含義分別為:θ(x,t)可以稱為過余濕度(類比于過余溫度),θ(x,t) =W(x,t)-Wai;θ0=W(x, 0) -Wai;βn為方程β=Bicosβ的特征值,方程中Bi的定義式為[5]: 　　Bi=hmLDV.此外,定義相應(yīng)的傅立葉準(zhǔn)則數(shù)Fo為: 　　Fo=awtL2,它可以稱為非穩(wěn)態(tài)質(zhì)遷移過程的無量綱時(shí)間.式中aw=DVρmCm,稱為導(dǎo)濕系數(shù). 　　把上述物理量代入式(6),可以得到W(x,t) -Wai= (W(x,0) -Wai)∑∞n=12sinβnβn+ sinβncosβncos(βnxL)exp(-β2nawtL2) (8)研究表明[5],當(dāng)Fo≥0.2時(shí),用式(8)級(jí)數(shù)的第一項(xiàng)來描述無量綱濕度以足夠精確,即θ(x,t)θ0=2sinβ1β1+sinβ1cosβ1cos(β1xL)exp(-β21Fo) (9)或?qū)懗蒞(x,t)-Wai=(W(x,0)-Wai)2sinβ1β1+sinβ1cosβ1cos(β1xL)exp(-β21Fo) (10)根據(jù)上式,就可以得到試件內(nèi)部的比濕17第4期 閆增峰,等:生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程實(shí)驗(yàn)研究 W(x,t)分布.同時(shí),經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段Δt,試件表面吸濕或放濕量可以用下式計(jì)算ΔWm=hmAm∫Δt0(Wai-W(L,t))dt(11)可以對(duì)上式進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算.另外,試件表面吸濕或放濕量也可以近似地用下式計(jì)算ΔWm=hmAm(Wai-W(L,Δt)+W(L,0)2)Δt(12)式中:Δt為計(jì)算時(shí)間.利用式(11)和(12)對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,也可以求出夯土墻表面的質(zhì)交換系數(shù)hm,從而為hm提供了另一種測(cè)試方法. 　　本文將分別利用式(4),(5),(11)和(12)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,求出試塊表面的質(zhì)交換系數(shù)hm. 　　2 實(shí)驗(yàn)過程將夯土試塊放在105℃的烘箱中烘干至恒重,自然冷卻后取出,用精密光電天平( 0.1 mg)測(cè)量其質(zhì)量,然http://www.shlunwen.com/jszclw/后快速地進(jìn)行隔濕處理,再測(cè)其質(zhì)量后,將試塊放入干燥皿中,在干燥皿中,利用飽和鹽水溶液創(chuàng)造了穩(wěn)定的相對(duì)濕度環(huán)境[6].試件在干燥皿中充分吸濕達(dá)到平衡狀態(tài),時(shí)間大約為14 d以上. 　　將達(dá)到吸濕平衡的試件從干燥皿中取出,置于具有一定相對(duì)濕度的環(huán)境中,開始對(duì)試件按一定時(shí)間間隔稱重.時(shí)間間隔是這樣設(shè)定的:最初3.5 h內(nèi)每0.5 h測(cè)一次,在隨后的47 h內(nèi)每h測(cè)一次,其后1 d則是測(cè)3次,隨后幾d則是1 d測(cè)1次,共測(cè)100 h以上. 　　實(shí)驗(yàn)中,分別利用飽和鹽水溶液創(chuàng)造了97%(硫酸鉀飽和溶液)和32.8%(氯化鎂飽和溶液)的相對(duì)濕度環(huán)境,使試件在干燥皿中充分吸濕達(dá)到平衡狀態(tài).將達(dá)到吸濕平衡的試件從干燥皿中取出,置于穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境(平均氣溫25.2℃,平均相對(duì)濕度69.2%)與環(huán)境空氣進(jìn)行濕交換. 　　實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫濕度監(jiān)控利用數(shù)字式溫濕度計(jì)進(jìn)行,由于實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)部濕源穩(wěn)定且封閉性好,穩(wěn)恒的溫濕度環(huán)境調(diào)控時(shí),主要是控制環(huán)境溫度. 　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析本文根據(jù)所得到的測(cè)試數(shù)據(jù),進(jìn)行曲線擬合分析,得到了測(cè)量試塊質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律為m(t)=m0+Aexp(Bt) (13)對(duì)上式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,且兩邊除以試件吸放濕的表面積Am,則得到J=1Amdm(t)dt=ABAmexp(Bt) (14)結(jié)合式(4,5)、(11,12)和(13,14),便可求出夯土墻的表面質(zhì)交換系數(shù). 　　為了得到精確的試件吸放濕量隨時(shí)間變化曲線,本文利用軟件對(duì)所得到的測(cè)試數(shù)據(jù),進(jìn)行曲線擬合分析,得到了夯土墻試件表面吸濕、放濕過程中試塊質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線擬合函數(shù)關(guān)系式分別為: 　　放濕過程m(t)=188.582 29+0.374 1exp(-0.072 37t)(15)吸濕過程m(t)=187.909 23-0.296 6exp(-0.041 66t)(16)實(shí)驗(yàn)得到的試塊質(zhì)量隨時(shí)間變化的擬合曲線如圖1和圖2所示. 　　圖1 試件吸濕過程擬合曲線 圖2 試件放濕過程擬合曲線18 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(建筑與環(huán)境科學(xué)版) 2003年 根據(jù)公式(4),(5),結(jié)合夯土墻表面吸濕、放濕過程中試塊質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線擬合函數(shù)關(guān)系式,得到夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)值(表1). 　　表1 夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)分析結(jié)果質(zhì)交換系數(shù)吸濕放濕Lewis關(guān)系式hm0.002 1 0.003 2 0.003 4h1m2.3510-33.5810-33.8110-3根據(jù)夯土墻試塊等溫吸放濕模型的解析解推導(dǎo)的表面吸放濕計(jì)算公式(11),(12),結(jié)合夯土墻表面吸濕、放濕過程試塊質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線擬合函數(shù)關(guān)系式,得到夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)值(表2). 　　表2 夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)分析結(jié)果質(zhì)交換系數(shù)吸濕放濕Lewis關(guān)系式hm0.002 3 0.003 5 0.003 4h1m2.3310-33.8710-33.8110-3以上兩表中給出了兩種量綱的表面質(zhì)交換系數(shù)值,其中hm表示單位時(shí)間濕氣遷移位移,h1m表示單位時(shí)間、單位面積和單位含濕量條件下的濕氣質(zhì)量變化率[7]. 　　由表1和表2可以看出,利用兩種計(jì)算方法得到的夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù)值基本接近,同時(shí),這兩種結(jié)果也和利用Lewis關(guān)系的到的數(shù)值較接近.這說明,被廣泛采用的Lewis關(guān)系可以較為精確地確定夯土墻表面質(zhì)交換系數(shù). 　　4 結(jié) 論本文通過對(duì)生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等溫吸放濕過程的實(shí)驗(yàn)研究,得出以下主要結(jié)論: 　　(1)本文首次進(jìn)行了生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究,提出了基于多孔介質(zhì)等溫傳濕過程的分析解,給出了結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算建筑材料表面質(zhì)交換系數(shù)的測(cè)試?yán)碚? 　　(2)本文利用文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)的近似公式,結(jié)合生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸濕、放濕過程中試塊質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線擬合函數(shù)關(guān)http://www.shlunwen.com/channel/系式,也得到了生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù)值.以上兩種方法的計(jì)算值比較接近,這也說明,利用文獻(xiàn)[4] 　　的近似公式測(cè)量表面質(zhì)交換系數(shù)是可行的.而且,該近似公式原理中采用了集總濕容近似,即Bi準(zhǔn)則數(shù)遠(yuǎn)小于1,試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明這個(gè)假設(shè)是基本適用的. 　　(3)利用以上兩種計(jì)算方法得到的生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù)值基本接近,這兩種結(jié)果也和利用Lewis關(guān)系得到的數(shù)值接近.這說明,Lewis關(guān)系可以較精確地確定生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù). 　　(4)本文僅研究了生土建筑材料的等溫吸放濕過程,生土建筑材料的表面質(zhì)交換系數(shù)測(cè)試?yán)碚摵头椒▽?duì)于研究陜西其它民居建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境也具有參考價(jià)值.