調濕板應用研究論文

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摘要調濕板是一種在水泥砂漿中摻混了調濕材料的建筑板材，由于調濕材料能自動吸放水蒸氣，因此，調濕板具有調節室內濕度的作用。本文調濕板中的調濕材料是高分子樹脂吸收了鹽溶液后形成的凝膠。文章對該類型調濕板在北京地區的應用效果進行了數值模擬，計算結果表明在北京的氣候條件下，調濕板對辦公型建筑的室內濕度調節有明顯作用。

關鍵詞調濕；凝膠；數值計算

AbstractHygroscopicboardismadeofamixtureofcementmortarandhygroscopicmaterial.Itcanadjusttheindoorhumidityforthehygroscopicmaterialcanabsorbandevaporatethewatervaporautomaticaly.Thehygroscopicmaterialmentionedinthispaperisasuperabsorbentpolymergelwhichabsorbsaqueoussolutiorofcalciumchloride.ThenumericalcomputationofindoorhumidityofanofficeroominBeijingwascarried.Theresultsshowthatthehygrocsopicboardcanadjusttheindoorhumidityprominently.

Keywordshygroscopic;gel;numericalcomputation

傳統的空調除濕方式低溫冷凝除濕須制備低溫冷凍水，能耗較大。調濕板是利用調濕材料對水蒸氣的自動吸放作用調節室內濕度，調濕過程無能耗。日本已開發出多種調濕板產品，并應用于博物館、美術館等建筑中，所使用的調濕材料主要是沸石。以高分子凝膠為調濕材料的調濕板產品尚未報道。

1調濕材料Gel的特性

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

圖1不同材料的平衡含水率曲線

Fig.1Theequilibriummoisturecontainofdifferentmaterials

2數值計算

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散系數Deff[2]。圖2[3]是該耐火材料在不同相對濕度下的平衡含水率曲線，實驗環境濕度為25℃。從圖2可以擬合出相對濕度ψ與板材含水量水率C的關系式：

C=1.4474Φ-0.0166（1）

圖2調濕板平衡含水率曲線

Fig.2Theequilibriummositurecontainofthehygroscopicboard

由于一定濃度的鹽溶液，在不同溫度下均對應相同的相對濕度，因此當假設調濕板中的鹽溶液仍保持該特性時（1）式適用于其它溫度范圍。在溫度t=0～40℃，相對濕度ψ=30%～85%范圍內，相對濕度ψ與絕對含濕量X的關系為

Φ=230Xe0.062t;[4](2)

聯立（1）、（2）便可得出絕對含濕量X與含水率C的關系式：

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

3數學模型

圖3是一維板壁質擴散示意圖，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：板壁一維非穩態質擴散方程：

（4）

圖3一維板壁質擴散示意圖

Fig.3Theschematicdiagramotheproblem

房間濕平衡方程：

（5）

邊界條件

（6）

其中對流傳質系數hin由（7）式算出

（7）

初始條件：

τ=0，0≤x≤x0,C=C0

τ=0,Xr=Xr0(8)

4計算條件

地點：北京；時間：代表年，氣象數據由供熱空調能耗分析用逐時氣象數據生成系統Medpha得到；其它計算條件如表1所示。

表1計算條件

Table1Parametersforcomputation

房間基本情況房間體積

5×5×3m3門

2×1m2窗

2×2m2調濕板面積

6.2m2

室內溫度設置4、5月

24℃6、7、8月

28℃9、10月

24℃11、12、1、2、3月

20℃

室內產濕（人員產濕）人數3產濕時間

8：00～18：00（周一～五）產濕量（極輕勞動）

20℃：69g/h,24℃:96g/h,28℃:123g/h[4]

新風量8：00～18：00（周一～五）30m3/h.人其它時間0

調濕板相關參數板厚x020mmDeff3.17×10-10m2/s[2]hin0.001278m/s

*調濕板面積為除去門窗、地板以外的內壁面積的80%。

**該值是利用流體掠過平壁的對流傳質公式（7），并設風速u=0.3m/s,定性尺寸1=2.5,在常溫時查得空氣物性參數算

得。

聯立方程（4）、（5），利用隱式有限差分法求解，可得全年各時刻壁體各部位的含水率及房間絕對含濕量；再根據相對濕度與絕對含濕量的關系式（2），可得各時刻室內相對濕度。

5計算結果

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

表2計算結果

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

有調濕板ψ=78.5%ψ=32.2%95.7%

無調濕板ψ=100%ψ=13.4%47.9%[1]

圖4室內相對濕度全年變化（日平均）

Fig.4Theindoorrelativehumiditychangeofoneyear(dailyaverage)

從表2及圖4可以看出：

1)使用調濕板后室內相對濕度在32%到78%之間波動，無調濕板時室內相對濕度在13%到100%之間波動，調濕板能減小室內相對濕度的日波動及年波動；

2)有調濕板時，95%以上工作時間段內的室內相對濕度在人體舒適區內，遠遠超過沒有調濕板的47.9%。

6結論

對于北京地區的辦公型建筑，若在室內四周墻壁及天花板使用20mm厚的調濕板，在沒有其它調濕手段的情況下，室內相對濕度絕大部分時間在舒適區內，冬季加濕效果尤其顯著，夏季室內相對濕度絕大部分時間在70%以下。由此可見在北京地區的氣候條件下，調濕板的應用可完全或部分取代空調加、除濕系統。

變量說明:

ρdry-調濕板中干材料的密度（kgdrysolid/m3）;

Deff-水蒸氣在空氣中的擴散系數（m2/s）

Dair-水蒸氣在空氣中的擴散系數（m2/s）

C-板壁含水率（kg/kgdrysolid）

X0-室外空氣絕對含濕量（kg/kgdryair）

Xr-室內空氣絕對含濕量（kg/kgdryair）

hin-對流傳質系數（m/s）

ρair-空氣密度（kg/m3）

調濕板定性尺寸（m）

υ-運動粘度（m2/s）

q-產濕量（kg/s）

u-風速（m/s）Ue-換氣量（m2/s）

Ur-房間體積（m3）τ-時間（s）

X-位置（m）x0-板厚（mm）

Sc-施密特數t-溫度（℃）

ψ-相對濕度S-調濕板面積（m2）

參考文獻：

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.吸放濕材の評價と利用，日本建筑學會環境工學委員會熱環境小委會第26回會議文集.1996.73-80.

5)趙榮義，范存養，薛殿華，錢以明，空氣調節[M]。北京：中國建筑工業出版社，1994

6)麥金太爾著：龍惟定等譯.室內氣候[M].上海：上?？茖W技術出版社，1988.