温度和含湿量对建筑材料导热系数的影响

《温度和含湿量对建筑材料导热系数的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

温度和含湿量对建筑材料导热系数的影响孙立新麵西安建筑科技大学建筑学院中国建筑科学研宄院建筑环境与节能研宄院华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室摘要：导热系数是建筑材料最重要的热湿物性参数之•-，温度和含湿量均能够对其产生影响。当温度和含湿量屮的一个因素被确定后，一元线性函数通常被用来描述男一个因素对导热系数的影响。然而，实际情况下二者对导热系数的影响是同时存在的。采用防护热板法对聚苯乙烯泡沫(EPS)、若棉、混凝土、胶粘剂和抹面胶等5种典型建筑材料在不同温度和含湿量下的导热系数进行测试。结果表明，对上述材料而言，二元线性函数可以用来描述温度和含湿量对导热系数的影响，且温度和含湿量之间的交互作用可以被忽略。对于EPS和岩棉等弱吸湿弱毛细材料而言，可以将二元线性函数简化为仅与温度相关的一元线性函数。关键词：导热系数;温度;含湿量;建筑材料;作者简介：孙立新(1983-),男，博士，主要从事建筑热湿环境与节能研究，(E-mail)cabrsunlx@163.com。收稿日期：2017-03-15基金：国家自然科学基金(51508542) InfluenceoftemperatureandmoisturecontentonthethermalconductivityofbuildingmaterialsSunLixinFengChiCuiYumengSchoolofArchitecture,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology;ChinaAcademyofBuildingResearch;StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience，SouthChinaUniversityofTechnology;Abstract：Thermalconductivityisoneofthemostimportanthygrothermalpropertiesofbuildingmaterialswhichdependsontemperatureandmoisturecontent.Theone-variablelinearfunctionisusuallyusedtodescribetheinfluenceofeithertemperatureormoisturecontentonthethermalconductivitywhentheotheroneisfixed.However,forrealsituationstemperatureandmoisturecontenthavesimultaneousinfluence.Thethermalconductivitiesoffivetypicalbuildingmaterials-expandedpolystyrene(EPS)，mineralwool,concrete,adhesivemortarandrenderingplaster-wcrcmeasuredwiththeguarded-hot-plateapparatusatdifferenttemperatureandmoisturecontent.Resultsshowthatthetwo-variablelinearfunctionissufficienttodescribethecoupledinfluenceoftemperatureandmoisturecontentonallstudiedmaterials.Theinteractionbetweentemperatureandmoisturecontentisnegligible.ForweaklyhygroscopicandcapillarymaterialssuchasEPSandmineralwool，thetwo-variablelinearfunctioncanbesimplifiedtotheone-variablelinearfunctionoftemperature.Keyword：thermalconductivity;temperature;moisturecontent;bui1dingmaterial;Received：2017-03-15导热系数A(W/(m-K))是建筑材料最重要的热湿物性参数之一，与建筑能耗、室内环境及很多其他热湿过程息息和关研宄人员对不同建筑材料的 导热系数进行了大量的测试，积累了丰富的数据：比利时、荷兰、法国、德国、意大利和英国共同完成的TEAAnnex14项0测试了31种常用建筑材料的导热系数LQ;由14个欧美国家共同完成的IEAAnnex24项目总结丫32种常用建筑材料的异热系数达1;ASHKAE1018RP项目给出了37种北美常用建筑材料的异热系数M。Clarke等全面分析了建筑材料的既有热物性数据库，对其加以归纳和整理［10］。《民用建筑热工设计规范》(GB50176—2016)对中国常用建筑材料的导热系数加以规定，并在生产实践屮广泛应用［11］。建筑材料的导热系数与很多因素有关，其中，温度t(°C)和含湿量u(kg/kg)的影响较为明显。很多数学模型可以描述它们的影响，其中，线性方程的使用最为广泛，如式(1)和式(2)。式中：Uf(°C)和i^f(kg/kg)为基准温度和基准含湿量;a和b分别代表温度和含湿量影响的斜率。这两个简单的线性方程能够组合得到描述导热系数的4种表达方式：1)将导热系数表达为温度和含湿量的二元线性函数(a^O,b^O)[12];2)将导热系数表达为温度的一元线性函数(a矣0,b=0)[13];3)将导热系数表达为含湿量的一元线性函数(a=0,b^O)[14];4)将导热系数取为常数(a=0,b=0)[11]。最后一种方法的精度在粗略的计算中可以被接受。但为了更精确的分析，则需要考虑温度和含湿量的影响。本文对前3种方法进行比较，研究温度和含湿量对建筑材料导热系数的影响。1材料与方法1.1实验材料选用5种典型的建筑材料进行导热系数的测试:聚苯乙烯泡沫(EPS)、岩棉、混凝土、胶粘剂和抹面胶。表1概括了测试材料的重要棊本性质，包括:表观密度P(kg/m)、孔隙率、干杯水蒸气渗透阻力因子M、84.3%相对湿度下的吸湿平衡含湿量u84.3%(kg/kg)、吸水系数A»(kg/(m•s))和毛细含湿量w€ap(kg/m)。从表1可知，EPS和岩棉是弱吸湿和弱毛细的，混凝土和胶粘剂是强吸湿强毛细的，而抹面胶是强吸湿弱毛细的。表1测试材料的基本性质Table1Basicpropertiesofexperimentalmaterials下载原表 1.2实验装置导热系数的测试分为动态法和稳态法，稳态法又分为热流计法和防护热板法。考虑到仪器精度以及控温范围，参照GB/T10294—2008标准，采用防护热板法进行测试[15]。实验仪器如图1所示，包括主体、冷热源控制系统和智能测量仪3部分。主体由热板、冷板和试件夹紧系统组成。热板包括主加热板、护加热板以及背护加热板3个主要部分。主加热板和护加热板由电阻加热器及智能测量仪控温，背护加热板由精密恒温水槽控温，使3块加热板的温度保持一致（Ut，°C）。冷板由铝板、半导体制冷体和冷却水套组成，可精确控制冷板温度在设定值（Uld,"C）。智能测量仪用于整个测试系统的温度测量及控制，以实现全自动的测试。图1防护热板导热仪Fig.1Guardedhotplateapparatus下载原图测试时，通过智能测量仪的自动调节，实现热板、冷板的恒温和加热功率的稳定,最终达到一维稳态传热状态。实际通过试件的热流密度q（W/m）根据主加热板的耗电功率及尺寸得到。对厚度为D（m）、由均质材料制成的试件而言，其导热系数可通过下式计算得到1.3实验方法每种材料各制备3〜6个尺寸为30cmX30cmX3〜5cm的试件，在不同温度和含湿量下对导热系数进行12~35次测试。测试前先将试件培养至不同的含湿量，然后将试件的各面用4层塑料薄膜包裹起来。薄膜的水蒸气渗透阻Sd>1.5m,可视为不透气。其厚度和热阻分别为0.0225mm和0.000537m•K/W，均可以忽略。表2为测试工况基本信息。测试的系统性误差（如接触热阻等）已经被修正［16］。表2测试丁•况基本信息Table2Generalinformationofmeasurements下载原表2实验结果2.1一元线性拟合首先对导热系数随温度和含湿量的变化分别进行线性拟合。选取和 uQ=0kg/kg作为基准温度和基准含湿量，因此，式（1）和式（2）可以被简化为用式（4）和式（5）对各种材料的测试结果分别进行拟合，结果见表3。表3—元线性拟合结果Table3Resultsofone-variablelinearfittings下载原表由表3可知，EPS和岩棉的导热系数可以较好的表达为温度的一元线性函数。这是因为这两种材料是弱吸湿弱毛细的，其含湿量很低，因此水分对异热系数的影响基本可以忽略不计。但其他材料一元线性拟合的结果并不理想，说明需要同吋考虑温度和含湿量的影响。2.2二元拟合为同时考虑温度和含湿量对导热系数的影响，可将式（4）和式（5）简单叠加，得到式（6）然而，对式（4）进行关于含湿量的积分，或者对式（5）进行关于温度的积分，还会出现二次项，即式（7）中，c也为拟合常数。显然，表征了温度和含湿量的交互作用。用式（6）和式（7）对各种材料的测试结果分别进行拟合，结果见表4。表4二元拟合结果Table4Resultsoftwo-variablefittings卜载原表表4中的结果提供了大量的有意义的信息。首先，式（6）和式（7）都可以较好的拟合出所有材料的导热系数，证明Y同时考虑温度和含湿量影响的必要性。此外，对几乎所有材料而言，式（7）的R比式（6）的都大，表明式（7）的拟合精度更高;但这种提高有限（不超过0.02）,即在数学上说明增加c*1*11项并未能大幅度提高拟合精度，在物理上说明温度和含湿量的交互作用并没有对导 热系数产生很大的影响。简便起见，可以直接使用式（6）。最后，对EPS和岩棉等弱吸湿弱毛细材料而言，式（6）的拟合精度并没有明显高于式（4）的拟合精度，再次说明这类材料的异热系数仅与温度有明显关系，可以忽略含湿量的影响，而直接使用式（4）进行描述。3讨论3.1拟合的合理性在进行上述拟合时，采用冷热板的平均温度和材料平均含湿量进行计算。在实际测试过程中，当达到最终稳态时，材料内部的温度和含湿量分布都不是均匀的，因此需要对这种简化的有效性进行验证。首先考虑厚度为D，平均含湿量为u，两表面温度为匕和tb的单层材料，如图2所示。图2单层材料工况Fig.2Single-layermaterialcase下载原图根据傅里叶公式，有将式（6）代入式（8）并变形，可得可见在线性关系的前提下，通过平均温度和平均含湿量对材料的平均导热系数进行计算是可行的。事实上，材料内部的含湿量分布是不均匀的。为此进一步将平均含湿量为u的整体材料划分为等厚度（d,=D/n）的n层。其中的每一层内仍假设含湿量（U|）是均匀分布的，但每一层的含湿量都不同。此外，同时，假设材料PJ的温度呈线性变化，即U.n-tnu（t-tj/no阁3描述了上述情况。图3多层材料工况Fig.3Multi-layermaterialcase卜载原图稳态下，各层的热流密度相等 将各层叠加后取平均值，可得或改写为式（12）的等号右侧共有3项将式（13）~式（15）代入式（12），最终可得由此可见，使用平均温度和平均含湿量进行计算是合理的。值得注意的是，上述推导过程假定了材料中的温度呈线性分布，这虽然不完全准确，但在大多数情况下是基本合理的近似。3.2结果的合理性实验结果表明，随着温度的升高或含湿量的增大，所测5种典型建筑材料的异热系数都呈增大的趋势。下面从微观机理上对此加以分析。对多孔材料而言，当其受潮后，液态水会替代微孔中原有的空气;而在常温常压下，液态水的导热系数（约为0.59W/（m-K））远大于空气的导热系数（约为0.026W/（m-K））,因此，含湿材料的导热系数会大于干燥材料的导热系数，且含湿量越高，导热系数也越大。若在低温下水分凝结成冰，由于冰的导热系数高达2.2W/（m-K）,因此材料整体的导热系数也将增大。与受潮带来的影响不同，温度升高会引起分子热运动的加快，促进固体骨架的导热及孔隙内流体的对流传热。此外，孔壁之间的辐射换热也会因为温度的升高而加强。若材料含湿，则温度梯度还可能造成重要影响:温度梯度将形成蒸汽压梯度，使水蒸气从高温侧向低温侧迁移;在特定条件下，水蒸气可能在低温侧发生冷凝，形成的液态水又将在毛细压力的驱动下从低温侧向高温侧迁移。如此循环往复，类似于热管的强化换热作用，使材料表现出来的导热系数明显增大。4结论研宄了温度和含湿量对建筑材料异热系数的影响。通过防护热板法对不同温度和含湿量下聚苯乙烯泡沫（EPS）、岩棉、混凝土、胶粘剂和抹面胶的导热系数进行了测试。结果表明，温度和含湿量对上述材料导热系数的影响为线性，且温度和含湿量的交互作用并不明显，因此可以采用二元线性方程将导热系数表达为温度和含湿量的函数。对于EPS和岩棉等弱吸湿弱毛细材料，可以忽略含湿量的影响，将导热系数表达为温度的一元线性函数。参考文献[1]SCHIAVONIS，D’ALESSAXDROF，BIANCHIF，etal.Insulationmaterialsforthebuildingsector:八reviewandcomparativeanalysis[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2016，62:988-1011. [1]AMINM，PL’TRAN，KOSASIHEA，eta.l.Thermalpropertiesofbeeswax/graphenephasechangematerialasenergystorageforbuildingapplications[J].AppliedThermalEngineering，2017，112:273-280.[2]KH0UKHTM，FEZZIOUIN,DRAOUTB，etal.Theimpactofchangesinthermalconductivityofpolystyreneinsulationmaterialunderdifferentoperatingtemperaturesontheheattransferthroughthebuildingenvelope[J].AppliedThermalEngineering，2016，105:669-674.[3]ZHANGJ，XUW，LIA，etal.Studyonimprovingthermalenvironmentandenergyconservationofquadrangleadobedwelling[J].EnergyandBuildings，2016，129:92-101.[4]LIUL，SUI），TANGY，etal.Thermalconductivityenhancementofphasechangematerialsforthermalenergystorage:Areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2016，62:305-317.[5]LTJ,LTX,WANGN,etal.Experimentalresearchonindoorthermalenvironmentofnewruralresidencewithactivesolarwaterheatingsystemandexternalwallinsulation[J].AppliedThermalEngineering,2016，95:35-41.[6]HENSH.IEAAnnex14:Condensationandenergy，Volume3:Catalogueofmaterialproperties[R].1991.[7]KLMARANMK.IEAAnnex24:lleat，airandmoisturetransferininsulatedenvelopeparts.FinalReport，Volume3，Task3:MaterialProperties[R].1996.[8]KLMARANMK.Athermalandmoisturetransportpropertydatabaseforcommonbuildingandinsulatingmaterials，finalreportfromASHRAEresearchprojectl018RP[R].2002.[9]CLARKEJ,YANESKEP，PINNEYA.BEPACresearchreport:Theharmonizationofthermalpropertiesofbuildingmaterials[R].1990.[10]民用建筑热工设计规范:GB50176—2016[S].2016.Thermaldesigncodeforcivilbuildings:GB50176-2016[S].2016.(inChinese)[11]ZHANGX,KNZELHZILLIGW,etal.AFickianmodelfortemperature-dependentsorptionhysteresisinhygrothermalmodelingofwoodmaterials[J].InternationalJournalofllcatandMassTransfer,2016,100:58-64.[12]KU1ARANMK，LACKEYJ,NORMA.D1NN,eta1.Summaryreportfromtask3ofMEWSprojectattheInstituteforResearchinConstructionHygrothermalpropertiesofseveralbuilding materials[R].2002.[1]GAW1NDJ，KOSNYJ，WILKESK.Thermalconductivityofmoistcellularconcrete-Experimentalandnumericalstudy[C]//BuildingsIX-PerfornianceofExteriorEnvelopesofWholeBuildings，ClearwaterBeach，Florida，AS11RAE，2004:1-10.[2]绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法:GB/T10294-2008[S].2008.Thermalinsulation-Determinationofsteady-statethermalresistanceandrelatedproperties-Guardedhotplateapparatus:GB/T10294-2008[S].2008.(inChinese)[3]于水，崔雨萌，冯驰，等.稳态法测试保温材料导热系数的系统性误差[J].建筑科学，2016，32(10):50-54.YUS,CUIYM,FENGC,etal.Systematicerrorsinsteady-statemeasurementsonthethermalconductivitiesofinsulationmaterials[J].BuildingScience,2016,32(10):50-54.(inChinese)