新建建筑围护结构干燥特性及其影响研究

论文摘要

中国正处于工业化、城镇化加速发展时期,2005年建设部统计我国现有建筑总面积400多亿平方米,在未来十五年,中国每年新增建筑面积将约达18亿至20亿平方米。随着人类对环境和能源危机的关注,对建筑节能和居住环境要求的日益提高,围护结构性能的研究提到了越来越重要的日程。建筑围护结构材料是典型的多孔介质,多数为复杂的毛细多孔体,其孔洞充满着湿空气、液态水或冰。在潮湿的建筑材料层中通过几种不同的途径进行热量传递,围护结构内部的湿量传递对热量传递和围护结构的保温性能有不可忽视的影响。目前国内外围护结构热质耦合传递文献主要是对热湿地区准稳态建筑的热质耦合传递的模拟及其研究。而对新建建筑,即初始含湿量较大的建筑的干燥过程的研究较少,尤其是对严寒地区的新建建筑的研究,未见文献发表。围护结构的湿积累引发的工程耐久性问题、围护结构的内表面散湿量对室内热舒适性及空气品质的影响、围护结构的含湿量及湿渗透对建筑负荷尤其是冬季供暖负荷的影响,都是亟待解决的问题。而新建建筑围护结构由于有较大的初始含湿量,上述问题在干燥过程中将更加严重。本文运用Whitaker体积平均法,首次对严寒地区（以哈尔滨地区为例）新建建筑围护结构干燥过程的热湿耦合传递进行了模拟。考虑了液态水的渗透和冬季围护结构内湿分结冰的情况,以体积含湿量梯度为质驱动势,经过对多层多孔材料界面处含湿量的不连续处理,建立了不同干燥时段的热质耦合传递质量和能量平衡方程。分析了室内外条件、围护结构保温层热侧的隔汽层、冷侧的空气层以及围护结构内外表面涂层对新建建筑围护结构干燥速率的影响。在哈尔滨工业大学建筑节能实验室对单层多孔介质围护结构干燥过程的热质耦合传递进行了实验研究,并与模拟结果进行了对比,验证了模拟的正确性。对于夏热冬冷或夏热冬暖地区,由于室外气温较高,新建建筑围护结构的干燥对室内温湿度环境的影响可通过增加通风率来缓解,可对于严寒地区,尤其是冬季,由于通风能耗较大,一般通风率较小,新建建筑的干燥对室内环境的影响会更严重。在哈尔滨地区实际的室外气候条件下,本文对新建建筑的干燥过程对室内温湿度环境的影响进行了研究,分别建立了围护结构和室内空气的综合质量和能量平衡方程。并讨论了不同的通风率对围护结构内表面散湿量及室内空气呼吸舒适度不满意率的影响。目前发达国家建筑外围护结构的热阻是我国建筑围护结构热阻的2-3倍,在我国推广节能建筑已势在必行。然而为应对世界性的能源危机而提出的一些国际国内节能标准并没有考虑围护结构内的湿传递,在建筑能耗的研究中忽略墙体湿传递会导致能耗较大的估算误差。严寒地区冬季建筑供暖能耗占整个建筑能耗较大的比例,新建建筑较大的初始含湿量及保温层的受潮影响整个建筑的保温性能。本文对新建建筑围护结构干燥过程中热质传递对建筑能耗的影响进行了研究,包括冬季的供暖能耗和全年湿负荷。本文对新建建筑围护结构的干燥过程进行了较全面的研究,完善了围护结构的热质耦合传递理论,为进一步推动建筑节能以及室内空气质量的研究提供重要的参考作用

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、研究的目的和意义
• 1.1.1 围护结构的湿积累引发的工程耐久性问题
• 1.1.2 与墙体传湿有关的热舒适及空气品质问题
• 1.1.3 有墙体传热传湿引起的能耗问题
• 1.2 国内外在该方向的研究现状
• 1.2.1 围护结构热质耦合传递研究
• 1.2.2 围护结构热质耦合传递对室内热湿环境的影响研究
• 1.2.3 围护结构传湿引起的相关建筑能耗的研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 多孔介质围护结构热质耦合传递模型的建立
• 2.1 有关多孔介质的基本物理参数
• 2.1.1 孔隙率η
• 2.1.2 液相饱和度
• 2.1.3 质流向量
• 2.2 单层多孔介质的热湿传递模拟
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 关于质驱动势的选择
• 2.2.3 单层多孔介质守恒方程
• 2.3 多孔材料热物性参数的确定
• 2.3.1 有效导热系数
• 2.3.2 表面质交换系数
• 2.3.3 能量密度的确定
• 2.3.4 表面散湿量
• 2.3.5 参量的拟合
• 2.3.6 孔隙内空气相对湿度表达式
• 2.3.7 冻结温度
• 2.4 不同工况下质量和能量守恒方程的表述
• 2.4.1 无冰期
• 2.4.2 结冰或融冰期
• 2.4.3 完全结冰后
• 2.5 初始条件和边界条件
• 2.5.1 初始条件
• 2.5.2 边界条件
• 2.6 围护结构质量和能量控制方程的离散化模式
• 2.6.1 无冰期
• 2.6.2 结冰或融冰期
• 2.6.3 完全结冰后
• 2.6.4 边界条件
• 2.7 多层多孔介质质量和能量平衡方程的推导
• 2.7.1 对于多层多孔介质界面的处理
• 2.7.2 多层多孔介质质量和能量平衡方程
• 2.7.3 界面处材料物性参数
• 2.7.4 界面所在控制体多孔材料体积含湿量的确定
• 2.8 模拟程序的实现
• 2.9 本章小结
• 第3章 多孔介质热质耦合传递的实验研究与模型分析
• 3.1 实验的目的、任务和原理
• 3.2 实验原理和测试方法的概述
• 3.2.1 实验墙体及测点的布置
• 3.2.2 初始条件和边界条件的测量
• 3.3 实验结果与分析
• 3.4 实验结果与模拟结果的对比
• 3.4.1 对比结果分析
• 3.4.2 误差影响因素分析
• 3.5 模拟算例
• 3.5.1 算例的围护结构干燥控制方程
• 3.5.2 模拟结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 对围护结构干燥影响因素的研究
• 4.1 围护结构的材料设置对干燥过程的影响
• 4.1.1 模拟条件
• 4.1.2 模拟程序的实现
• 4.1.3 模拟结果与讨论
• 4.2 初始含湿量对围护结构干燥过程的影响
• 4.3 室内外气候环境对干燥过程的影响
• 4.3.1 模拟条件
• 4.3.2 模拟结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 围护结构的干燥过程对室内热湿环境的影响
• 5.1 对建筑综合热湿环境的模拟
• 5.1.1 建筑综合热湿环境平衡方程的建立
• 5.1.2 建筑室内热湿环境对呼吸舒适度的影响
• 5.1.3 模型的离散
• 5.2 模拟算例
• 5.2.1 模拟对象
• 5.2.2 模拟结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 围护结构热质传递对建筑能耗的影响
• 6.1 模拟算例
• 6.1.1 模拟条件的设置
• 6.1.2 新建建筑模拟房间热负荷的计算
• 6.1.3 新建建筑模拟房间湿负荷的计算
• 6.2 模拟结果分析
• 6.3 新建建筑围护结构能耗影响因素分析
• 6.3.1 不同的材料设置对新建建筑能耗的影响
• 6.3.2 不同初始含湿量对新建建筑能耗的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历