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農村保溫墻體的熱濕性能分析

  • 2022-05-23
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為了緩解化石能源短缺的困境以及燃燒帶來的生態環境問題,建筑節能已成為我國能源戰略的重要舉措[1-2]。據統計,2018年,全國冬季供暖總能耗5.33×108 t標準煤,其中,農村消耗3.27×108 t標準煤,占全國供暖總能耗的61.4%[3-6]。農村供暖能耗占比高主要原因是農村供暖不集中,房屋保溫性能差。因此,國家在對農村地區改變供暖方式進行試點的同時,也對農村房屋進行節能改造,常用做法是在圍護結構外附加保溫層[7]。
華北地區冬季寒冷干燥,晝夜溫差大,建筑能耗與墻體內熱濕傳遞密切相關。Fitsum等人[8-9]對混凝土建筑進行了熱濕傳遞實驗,得出外墻水蒸氣防護層將減少向墻內的濕遷移,但作用小于內墻防護層的使用的結論;李魁山等人[10]以溫度和水蒸氣密度為變量,測試了墻體內外保溫方式在冬夏兩季的結露狀況,結果表明:冬季內保溫和墻體接觸面發生冷凝并結露,外保溫在冬、夏季均不會出現結露;賈斌廣等人[11]基于軟件模擬了不同比例建筑材料對室內環境調濕能力的強弱,發現當石膏質量分數75%,陶粒質量分數 25%時,內壁面濕流密度的絕對值最大,調濕性能最優;何雪瓊等人[12]用MATLAB編程準確預測了附加空氣層的多層墻體內溫濕度分布和動態變化,結果表明:墻體內空氣含濕量隨時間的增加逐漸上升,半年后,含濕量不再變化,濕流密度和熱通量隨時間增加不斷減小且變化幅度逐漸減小,3 a后,濕流密度和熱通量基本不再變化。
本文結合濟南市商河縣農村房屋改造的具體實例,以溫度和相對濕度為驅動勢,建立了墻體的濕和空氣耦合傳遞模型(HAM),利用COMSOL Multiphysics軟件模擬保溫墻體和非保溫墻體的熱濕變化規律,分析了兩種墻體的熱濕性能,為工程設計提供參考依據。
2   模型的建立
①物理模型
墻體模型見圖1,XPS為擠塑式聚苯乙烯,為保溫層材料。墻體物性參數見表1。假設墻體滿足以下條件:建筑墻體為各向同性的連續多孔介質,多孔介質內部熱濕平衡;墻體內的濕組分只有氣液兩相,氣體視作理想氣體;墻體內部的熱濕遷移只存在于水平方向,忽略各層墻體之間濕傳遞阻力。
農村保溫墻體的熱濕性能分析
圖1   墻體模型
表1   墻體物性參數
②數學模型
通過建立濕和空氣耦合傳遞模型求解墻體內部溫度和含濕量變化問題?刂品匠桃娢墨I[13]。根據Fick定律、Darcy定律及質量守恒定律,建立傳質方程,主要考慮了水蒸氣的對流擴散、水的分子擴散,根據Fourier定律和能量守恒定律,考慮墻體中的濕傳遞,建立傳熱方程。
③初始條件和邊界條件
以濟南市商河縣為例,研究分析了多層墻體在冬季的熱濕遷移過程,室外溫度、相對濕度見圖2。模擬時,室外溫度、相對濕度在圖2基礎上做處理,室外溫度用正弦函數表示,相對濕度用插值函數表示,模擬時長為72 h。室外相對濕度插值設定見表2。墻體外表面傳熱系數為23.26 W/(m2·K),質擴散系數為1.4×10-7 kg/(Pa·m2·s);內表面傳熱系數為8.72 W/(m2·K),質擴散系數為1.8×10-8 kg/(Pa·m2·s)。墻體相對濕度以墻體內空氣相對濕度表示,取0.4(含濕量為3.5 g/kg),初始溫度285 K;室內相對濕度取0.5(含濕量為7.2 g/kg),溫度維持285 K不變。室外溫度用正弦函數表示,見式(1):
農村保溫墻體的熱濕性能分析
 
表2   室外相對濕度插值設定
農村保溫墻體的熱濕性能分析
3   結果及分析
①溫度分布
非保溫墻體和XPS保溫墻體溫度分布見圖3,非保溫墻體和XPS保溫墻體第72 h溫度云圖見圖4,圖中圖例的數值單位為K。根據圖3,非保溫墻體比XPS保溫墻體的內壁面平均溫度低1.5 K。墻體外壁面主要受室外溫度影響,溫度變化趨勢與室外溫度變化趨勢相同。由于水泥砂漿的熱導率大,溫度梯度較小,因此非保溫墻體水泥砂漿與混凝土交界處與外壁面平均溫差僅為0.8 K。在圖3a中,水泥砂漿與混凝土交界處的溫度變化與外壁面溫度變化相比存在2 h延遲。從圖3b中同樣可以看到,在XPS保溫墻體中,保溫層與水泥砂漿交界處溫度與外壁面的溫度變化存在延遲,平均溫差為6.3 K,遠高于非保溫墻體水泥砂漿與混凝土交界面與外壁面的平均溫差,這是由于XPS熱導率小,熱阻大。前15 h內,水泥砂漿與混凝土交界處溫度幾乎沒有變化,分析是混凝土層較厚且比熱容高于水泥砂漿比熱容,熱量傳遞需要更長時間。
②含濕量分布
非保溫墻體和XPS保溫墻體含濕量分布見圖5,非保溫墻體和XPS保溫墻體第72 h含濕量云圖見圖6,圖中圖例的數值單位為g/kg?梢钥闯,兩種墻體外壁面處的含濕量變化與室外相對濕度變化趨勢一致,說明此處含濕量受室外相對濕度影響較大。比較圖6a、6b可以看出,XPS保溫墻體保溫層與水泥砂漿交界處含濕量較非保溫墻體高,其原因是XPS的蒸汽滲透系數遠小于水泥抹灰,水蒸氣透過保溫層的能力下降,說明增加保溫層可以有效阻止室內濕組分向室外遷移。兩種墻體內壁面處含濕量均受室內相對濕度影響,先增加然后在第12 h左右含濕量趨于穩定,變化趨勢相同,這是因為內壁面初始相對濕度低于室內相對濕度且室內相對濕度保持不變。
對比可以發現,水泥砂漿與混凝土交界處受室外溫度影響要遠大于受室外相對濕度影響,混凝土與水泥抹灰交界處的含濕量變化比溫度變化小,這是由于熱傳遞比濕傳遞快。因此,兩個交界面受室內、外溫度影響更大。
③凈吸熱量密度與潛熱凈吸熱量密度
對于墻體與房間形成的吸熱量與墻體與室外環境形成的放熱量之差稱為凈吸熱量。
墻體的凈吸熱量密度主要包括顯熱凈吸熱量密度和潛熱凈吸熱量密度,墻體凈吸熱量密度變化見圖7,正值表示墻體吸熱,負值表示墻體放熱。墻體潛熱凈吸熱量密度變化見圖8,正值表示冷凝放熱,負值表示蒸發吸熱。經計算,在非保溫墻體和XPS保溫墻體中,潛熱凈吸熱量密度分別占凈吸熱量密度的21.7%、14.3%,凈吸熱量密度下降62.8%。
4   結論
①水泥砂漿與混凝土交界面、混凝土與水泥抹灰交界面分別受室外、室內溫度影響大于相對濕度影響。
②潛熱凈吸熱量密度在非保溫墻體和XPS保溫墻體內分別占凈吸熱量密度的21.7%和14.3%,XPS保溫墻體的凈吸熱量密度較非保溫墻體下降62.8%。
③XPS保溫墻體內壁面單位面積吸熱量為153 W/m2,吸濕量為9.91×10-9 g/(m2·s),非保溫墻體內壁面單位面積吸熱量為268 W/m2,吸濕量為2.19×10-8 g/(m2·s)。XPS保溫墻體比非保溫墻體內壁面單位面積吸熱量減少了42.9%,吸濕量減少了54.3%,保溫效果顯著。
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