調(diào)濕板應(yīng)用研究論文

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摘要調(diào)濕板是一種在水泥砂漿中摻混了調(diào)濕材料的建筑板材，由于調(diào)濕材料能自動(dòng)吸放水蒸氣，因此，調(diào)濕板具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的作用。本文調(diào)濕板中的調(diào)濕材料是高分子樹脂吸收了鹽溶液后形成的凝膠。文章對(duì)該類型調(diào)濕板在北京地區(qū)的應(yīng)用效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明在北京的氣候條件下，調(diào)濕板對(duì)辦公型建筑的室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)有明顯作用。

關(guān)鍵詞調(diào)濕；凝膠；數(shù)值計(jì)算

AbstractHygroscopicboardismadeofamixtureofcementmortarandhygroscopicmaterial.Itcanadjusttheindoorhumidityforthehygroscopicmaterialcanabsorbandevaporatethewatervaporautomaticaly.Thehygroscopicmaterialmentionedinthispaperisasuperabsorbentpolymergelwhichabsorbsaqueoussolutiorofcalciumchloride.ThenumericalcomputationofindoorhumidityofanofficeroominBeijingwascarried.Theresultsshowthatthehygrocsopicboardcanadjusttheindoorhumidityprominently.

Keywordshygroscopic;gel;numericalcomputation

傳統(tǒng)的空調(diào)除濕方式低溫冷凝除濕須制備低溫冷凍水，能耗較大。調(diào)濕板是利用調(diào)濕材料對(duì)水蒸氣的自動(dòng)吸放作用調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，調(diào)濕過程無能耗。日本已開發(fā)出多種調(diào)濕板產(chǎn)品，并應(yīng)用于博物館、美術(shù)館等建筑中，所使用的調(diào)濕材料主要是沸石。以高分子凝膠為調(diào)濕材料的調(diào)濕板產(chǎn)品尚未報(bào)道。

1調(diào)濕材料Gel的特性

Gel是由高分子樹脂吸收了鹽溶液后形成的凝膠，其調(diào)濕原理是利用凝膠中的鹽溶液對(duì)水蒸氣的吸收與釋放作用。常用的鹽溶液為Cacl2。圖1[1]是幾種常用調(diào)濕材料的在不同相對(duì)濕度下的平衡含水率曲線，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃。可以看出同樣的相對(duì)濕度變化范圍，Gel的含水率變化要遠(yuǎn)大于沸石及硅膠，是一種較理想的調(diào)濕材料。

圖1不同材料的平衡含水率曲線

Fig.1Theequilibriummoisturecontainofdifferentmaterials

2數(shù)值計(jì)算

金招芬等人曾用CaCl2凝膠摻混到水泥、珍珠巖等材料中，制成板狀作耐火材料，并測定了其水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)Deff[2]。圖2[3]是該耐火材料在不同相對(duì)濕度下的平衡含水率曲線，實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度為25℃。從圖2可以擬合出相對(duì)濕度ψ與板材含水量水率C的關(guān)系式：

C=1.4474Φ-0.0166（1）

圖2調(diào)濕板平衡含水率曲線

Fig.2Theequilibriummositurecontainofthehygroscopicboard

由于一定濃度的鹽溶液，在不同溫度下均對(duì)應(yīng)相同的相對(duì)濕度，因此當(dāng)假設(shè)調(diào)濕板中的鹽溶液仍保持該特性時(shí)（1）式適用于其它溫度范圍。在溫度t=0～40℃，相對(duì)濕度ψ=30%～85%范圍內(nèi)，相對(duì)濕度ψ與絕對(duì)含濕量X的關(guān)系為

Φ=230Xe0.062t;[4](2)

聯(lián)立（1）、（2）便可得出絕對(duì)含濕量X與含水率C的關(guān)系式：

X=2.8908×10-3e0.062tC+4.7987×10-5e0.062t(3)

3數(shù)學(xué)模型

圖3是一維板壁質(zhì)擴(kuò)散示意圖，x=0處與房間空氣接觸的表面，x=x0處是絕濕表面。

基本方程：板壁一維非穩(wěn)態(tài)質(zhì)擴(kuò)散方程：

（4）

圖3一維板壁質(zhì)擴(kuò)散示意圖

Fig.3Theschematicdiagramotheproblem

房間濕平衡方程：

（5）

邊界條件

（6）

其中對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)hin由（7）式算出

（7）

初始條件：

τ=0，0≤x≤x0,C=C0

τ=0,Xr=Xr0(8)

4計(jì)算條件

地點(diǎn)：北京；時(shí)間：代表年，氣象數(shù)據(jù)由供熱空調(diào)能耗分析用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)Medpha得到；其它計(jì)算條件如表1所示。

表1計(jì)算條件

Table1Parametersforcomputation

房間基本情況房間體積

5×5×3m3門

2×1m2窗

2×2m2調(diào)濕板面積

6.2m2

室內(nèi)溫度設(shè)置4、5月

24℃6、7、8月

28℃9、10月

24℃11、12、1、2、3月

20℃

室內(nèi)產(chǎn)濕（人員產(chǎn)濕）人數(shù)3產(chǎn)濕時(shí)間

8：00～18：00（周一～五）產(chǎn)濕量（極輕勞動(dòng)）

20℃：69g/h,24℃:96g/h,28℃:123g/h[4]

新風(fēng)量8：00～18：00（周一～五）30m3/h.人其它時(shí)間0

調(diào)濕板相關(guān)參數(shù)板厚x020mmDeff3.17×10-10m2/s[2]hin0.001278m/s

*調(diào)濕板面積為除去門窗、地板以外的內(nèi)壁面積的80%。

**該值是利用流體掠過平壁的對(duì)流傳質(zhì)公式（7），并設(shè)風(fēng)速u=0.3m/s,定性尺寸1=2.5,在常溫時(shí)查得空氣物性參數(shù)算

得。

聯(lián)立方程（4）、（5），利用隱式有限差分法求解，可得全年各時(shí)刻壁體各部位的含水率及房間絕對(duì)含濕量；再根據(jù)相對(duì)濕度與絕對(duì)含濕量的關(guān)系式（2），可得各時(shí)刻室內(nèi)相對(duì)濕度。

5計(jì)算結(jié)果

表2給出了有無調(diào)濕板兩種情況下的室內(nèi)相對(duì)濕度全年最大、最小值及人體舒適區(qū)（RH=30%～70%[6]出現(xiàn)的時(shí)間占整個(gè)工作時(shí)間（周一～五8：00～18：00）的百分比。圖4給出了室內(nèi)每天工作時(shí)間段內(nèi)的平均相對(duì)濕度全年變化。

表2計(jì)算結(jié)果

Table2Resultsofthecomputation全年最大值全年最小值RH=30%～70%的百分比

有調(diào)濕板ψ=78.5%ψ=32.2%95.7%

無調(diào)濕板ψ=100%ψ=13.4%47.9%[1]

圖4室內(nèi)相對(duì)濕度全年變化（日平均）

Fig.4Theindoorrelativehumiditychangeofoneyear(dailyaverage)

從表2及圖4可以看出：

1)使用調(diào)濕板后室內(nèi)相對(duì)濕度在32%到78%之間波動(dòng)，無調(diào)濕板時(shí)室內(nèi)相對(duì)濕度在13%到100%之間波動(dòng)，調(diào)濕板能減小室內(nèi)相對(duì)濕度的日波動(dòng)及年波動(dòng)；

2)有調(diào)濕板時(shí)，95%以上工作時(shí)間段內(nèi)的室內(nèi)相對(duì)濕度在人體舒適區(qū)內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過沒有調(diào)濕板的47.9%。

6結(jié)論

對(duì)于北京地區(qū)的辦公型建筑，若在室內(nèi)四周墻壁及天花板使用20mm厚的調(diào)濕板，在沒有其它調(diào)濕手段的情況下，室內(nèi)相對(duì)濕度絕大部分時(shí)間在舒適區(qū)內(nèi)，冬季加濕效果尤其顯著，夏季室內(nèi)相對(duì)濕度絕大部分時(shí)間在70%以下。由此可見在北京地區(qū)的氣候條件下，調(diào)濕板的應(yīng)用可完全或部分取代空調(diào)加、除濕系統(tǒng)。

變量說明:

ρdry-調(diào)濕板中干材料的密度（kgdrysolid/m3）;

Deff-水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）

Dair-水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）

C-板壁含水率（kg/kgdrysolid）

X0-室外空氣絕對(duì)含濕量（kg/kgdryair）

Xr-室內(nèi)空氣絕對(duì)含濕量（kg/kgdryair）

hin-對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)（m/s）

ρa(bǔ)ir-空氣密度（kg/m3）

調(diào)濕板定性尺寸（m）

υ-運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）

q-產(chǎn)濕量（kg/s）

u-風(fēng)速（m/s）Ue-換氣量（m2/s）

Ur-房間體積（m3）τ-時(shí)間（s）

X-位置（m）x0-板厚（mm）

Sc-施密特?cái)?shù)t-溫度（℃）

ψ-相對(duì)濕度S-調(diào)濕板面積（m2）

參考文獻(xiàn)：

1)Zhao-FenJin,etal.ThermalandWaterstorageCharacteristicsofSuper-AbsorbentPolymerGelwhichAbsorbedAqueousSolutionofCalciumChloride[J].ThermophysicsandHeatTransferConference,ASME1998,Volume4,3-10.

2)YASAKO,KMAEDA,AJINandYYAMAGE-CHI,EffectiveMoistureDiffusivityofSuperAbsorbentPolymerGelandPearlite-MortarwithGel,Asia-Oce-aniaAssociationforScienceandTechnology,Singapore,1998,359-370.

3)Zhao-fenJIN,YutakaASKAO,etal.Fireresistancetestforprotectionmaterialswithhighwatercontent.InternationalJournalofHeatandMassTransfer43,2000.

4)荒井良延，等.吸放濕材の評(píng)價(jià)と利用，日本建筑學(xué)會(huì)環(huán)境工學(xué)委員會(huì)熱環(huán)境小委會(huì)第26回會(huì)議文集.1996.73-80.

5)趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，錢以明，空氣調(diào)節(jié)[M]。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994

6)麥金太爾著：龍惟定等譯.室內(nèi)氣候[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1988.