竹炭湿物性测试及其对外墙热湿性能影响的模拟
2018-07-05黄祖坚孙一民MUSSOFlorian
黄祖坚, 孙一民, MUSSO Florian
(1.华南理工大学 建筑学院, 广东 广州 510640; 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 3.慕尼黑工业大学 建筑构造与材料教研所, 慕尼黑 80333)
竹炭(BC)的研究与应用兴起于20世纪90年代,主要发生在东亚及非洲国家.竹炭由纤维素、半纤维素和少量木质素经不同程度地分解炭化而成[1],应用于空气净化[2]、土壤改良、水净化[3],以及生活用品调湿性填充物[4]和复合材料中[5-6].未经活化处理的竹炭孔隙结构中以大孔为主,微孔形成和发展在500℃以后开始;竹炭内部孔径分布随温度升高从0.25~50.00μm收缩到0.55~5.50μm;比表面积在600~700℃之间急剧发展,到700℃时可达385m2/g,是普通木炭的2~5倍,此时竹炭具有最好的调湿机能[7-8].蒋正武等[9]以平衡吸放湿量、吸放湿效率和调湿稳定性作为指标评价竹炭调湿能力,并研究工艺参数对竹炭调湿性能的影响.卢克阳等[10]对竹炭吸湿性能的研究表明,颗粒大小对竹炭吸湿量影响很小,比表面积对吸湿量有不成比例关系的影响,环境温度升高会导致竹炭的吸湿性能降低.
日本对调湿材料基础理论有较为充实的研究积累,1949年,西藤等[11]提出“调湿材料”的概念,指不需要借助人工能源和机械设备,依靠材料自身的吸放湿性能,感应所调空间空气温湿度的变化,自动调节空气相对湿度的材料;Maki 等[12]提出用材料水蒸气扩散系数和最大平衡含湿量来衡量材料的调湿性能,两者都大的材料调湿性能好.Ikeda[13]基于材料平衡吸放湿曲线u(x,T)的分析,提出以k=(∂u/∂x)T和v=(∂u/∂T)x分别表示空气温度T一定和空气绝对湿度x一定时,材料平衡含水率u随空气相对湿度变化的能力.Qin等[14]对香港和巴黎的案例进行模拟计算,表明调湿材料对室内空气湿度和建筑能耗具有改善作用.在建筑调湿材料体系中,多孔类材料包括竹炭、沸石、高岭土等,它们均具有透过性良好、吸放湿速度快、放湿滞后小的特点,且生产工艺简单、成本低,因此在民间应用最为广泛[15].在中国和日本,调湿性竹炭被用于调节室内空气湿度和建筑构造含湿量,并起抑菌杀菌作用[16].
依托丰富的竹林资源,中国成为主要竹炭生产国和出口国之一.将竹炭作为调湿性填充材应用于建筑工业,具有利用竹资源和提高建筑性能的双重意义.本文基于建筑围护结构热湿过程模型,系统地对竹炭进行湿物性测试,研究竹炭对建筑构件和围护空间热湿性能的影响,为其合理应用提供基础.
1 试验
1.1 原材料
BC样品为600℃炭化工艺所得的调湿性竹炭,填充密度为270kg/m3,单元直径1.0~1.5cm.其表面形貌如图1所示(采用蔡司EVO18扫描式电子显微镜获得图像).
图1 BC样品表面形貌Fig.1 BC sample surface morphology
1.2 平衡含水率测试
平衡吸放湿试验采用国际标准ISO 12571:2012和美国标准ASTM-04a(2016)推荐的方法[17-18],用于测试BC的平衡含水率u值,如图2所示.将烘干并称量好的BC置于玻璃皿中(其质量为md),1式6份,吸湿、放湿过程各3份.将3份烘干试件静置养护至20℃,然后置入真空干燥器中,真空干燥器底部盛有不同饱和盐溶液以控制预定的相对湿度.将真空干燥器连同温湿度记录仪整体移入恒温恒湿箱中,在20℃,相对湿度φ=50%条件下进行养护,每天监测真空干燥器内温湿度的变化,直至稳定到预定值.4周后,每隔3d 打开真空干燥器对试件进行称重,完成称重后立刻放回并关闭真空干燥器,重复以上操作,直至连续3次称重所得结果差异不超过0.1%时,认为材料已经达到了吸湿平衡.记录潮湿试件质量mw.根据式(1)计算吸湿试件的平衡含水率u,得出其等温吸湿曲线图.
(1)
将3份在恒温恒湿箱(20℃,φ=90%)环境中养护2周直至吸湿平衡的试件置入底部盛有除K2SO4饱和盐溶液外的其余8个真空干燥器中,重复以上操作,得出放湿试件的等温放湿曲线图.
图2 平衡吸放湿试验Fig.2 Absorption and desorption test
1.3 蒸汽渗透试验
蒸汽渗透试验用于测试BC材料的蒸汽渗透系数δ值,采用国际标准ISO 12572:2001(E)和美国标准ASTM E 96/E 96M-2005等推荐的方法[19-21],如图3所示,采用亚克力管和玻璃碗制作符合标准的干、湿杯试验装置,其中上方的亚克力管用于盛放BC试件,下方的玻璃碗用于盛放干燥剂/饱和盐溶液,分别形成干、湿杯.将烘干并称量好的BC填充于亚克力管容器中(亚克力管圆形开口底部预先粘好不锈钢丝网,保证竹炭不掉落,并且不影响竹炭吸湿),亚克力管固定于塑料碗盖上表面,碗盖预留直径100mm的圆形开口,记录试件及塑料碗盖整体干燥质量md,lid,再整体移入恒温恒湿箱中,在23℃,φ=50%条件下进行养护.2周后,试件达到吸湿平衡,将试件及塑料碗盖密封于玻璃碗上,玻璃碗内盛有粒径Φ=3mm的CaCl2干燥剂(干杯)或K2SO4饱和盐溶液(湿杯)以控制试件下方相对湿度,得到干、湿杯试件各3份.将干、湿杯移入恒温恒湿箱中,在23℃,相对湿度50%条件下进行养护.每隔3d对干、湿杯进行称重,当总质量连续5次以上呈线性变化后停止养护,立刻取下碗盖进行称重得潮湿质量mw,lid,对记录的质量和时间数据进行线性拟合,所得质量变化速率即为蒸汽传递速率G(kg/s).根据式(2)计算试件蒸汽渗透系数δ[kg/(m·s·Pa)]:
(2)
式中:d为试件厚度,m;A为碗盖开口面积,m2;Tk为绝对温度,K;Δφ为试件两侧空气相对湿度差,%;R0为理想气体常数,R0=461.5N·m/(kg·K);p为气压,Pa;p0为标准大气压,p0=101325Pa;hair为试件下表面空气厚度,m.
图3 蒸汽渗透试验Fig.3 Water vapor transmission test
1.4 外墙热湿性能模拟
建筑围护结构热湿空气流动耦合模型(HAM模型)用于描述围护结构热量、湿分及空气的储存和传递过程,通常采用高度耦合的非线性偏微分方程来同时描述围护结构中的热湿传递过程,再通过数值方法求解.这一计算方法由于对材料参数、计算时间等要求更高,因此在实际应用中受到局限.Künzel[22]通过理论推算和实测检验将热湿传递计算所需材料参数进行了简化,选择蒸汽压和相对湿度作为气态水和液态水传递的驱动势,并形成计算机程序WUFI(wärme-und feuchtetransport instationär,非稳态热湿过程模拟软件,由德国Fraunhofer建筑物理研究所开发)的基础模型.
将本文测试所得BC材料参数输入WUFI Plus软件中,设置建筑外墙模型组进行全年热湿性能模拟,如图4所示.图中BC代表含BC构造层的模型组,NC代表不含BC构造层的模型组;BFB为竹重组材,BSB为竹集成材,BPB为竹刨花板,这3种竹板的性质参数是笔者通过相同的试验条件和方法测试所得;A concrete代表加气混凝土,L S brick为石灰砖,这2种材料的性质参数是采用WUFI Plus软件中的默认值.模型外部条件设置时考虑到中国湿气候参数中缺乏降雨数据,无法形成墙体液态水的驱动势,会给模拟结果造成误差[23],而根据Köppen气候分类法,类型丰富的北美气候区对纬度相近的中国典型气候区具有较为完整的参考价值,因此使用北美的3个热湿及温湿性气候区中6个代表城市的气候数据.内部条件设置中建立尺寸为开间×进深×层高=3.0m×3.0m×3.0m的空间单元.设置8:00~17:00为房间工作时间,并赋予标准办公间使用强度的室内热湿负荷;边界条件选择四面外墙作为研究对象,将顶面天花及底面地板设为绝缘模式.构造上设置常用的3种类型,包括L型(外面板+填充层+内面板)、M型(砌体层+填充层+内面板)和H型(砌体层+内面板).各组构造传热系数U值控制在1.0W/(m2·K)左右,采用40mm厚的BC材料作为填充层靠外侧布置.模型运行过程中首先关闭暖通空调系统(HVAC),模拟无设备条件下室内热湿环境和外墙热湿性能;然后打开HVAC,以理想的HVAC维持室内温湿度,计算全年HVAC需求;运行时间为2a,对第2年全年数据进行采集.
图4 WUFI Plus建筑外墙热湿性能模拟Fig.4 WUFI Plus hygrothermal performance simulation for exterior walls
2 结果与分析
2.1 材料测试结果
BC试件平衡含水率及蒸汽渗透系数测试结果分别见表1,2.由表1,2可知:BC吸湿量高,在φ=96.3%时达到平衡含水率u=16.67%,体积含湿量w=45.01kg/m3;在测试的相对湿度内(11.2%~85.4%),放湿过程所得u值比吸湿过程所得u值高0.25%~1.75%,放湿滞后小,有利于发挥BC的调湿作用;BC蒸汽渗透系数干、湿杯测试结果比较接近,取均值为9.32×10-11kg/(m·s·Pa).
从等温吸放湿曲线(图5)可见,BC的等温吸放湿曲线在φ=33.4%~85.4%范围内向上凸起,表明炭化处理使BC在这一范围内的调湿容量得到扩大.此外,由各材料蒸汽渗透系数对比(图6)可知,BC蒸汽渗透系数为竹板蒸汽渗透系数的10.0~213.2倍,湿传递速率大幅提高,表明BC的调湿速率得到提高.与构造中其余材料相比,BC在调湿容量和调湿速率方面的优势有利于发挥其调湿作用.
2.2 WUFI Plus模拟结果
以开启理想HVAC工况下的年HVAC开启时间HVACperiod,年供暖和制冷量P值以及加湿和除湿量H值来表征围护空间的HVAC需求;以关闭HVAC工况下的室内空气温度θi的均值θi-mean和振幅θi-amp、外墙内表面温度θis的均值θis-mean和振幅θis-amp、相对湿度φi的均值φi-mean和振幅φi-amp来表征围护空间的热湿环境质量;通过建筑四面外墙的热流量Hflow和湿流量Mflow,以及L型和M型构造的保温填充层(cellulose fiber)含湿量wCF来表征外墙构造热湿性能.对含BC构造层的模型组(BC模型组)和不含BC构造层的模型组(NC模型组)的模拟结果进行对比分析.
表1 真空干燥器内温湿度控制及平衡含水率测试结果Table 1 Temperature(θ) and relative humidity of ambient air control in vacuum dryers and the measured equilibrium moisture content
表2 干湿杯内湿度控制及蒸汽渗透系数测试结果Table 2 Relative humidity control in cups and the measured water vapor transfer coefficient
图5 BC、竹板和砌体材料平衡含水率对比Fig.5 Equilibrium moisture content comparison among BC, bamboo panels and masonry
图6 BC、竹板和砌体材料蒸汽渗透系数对比Fig.6 Water vapor transfer coefficient comparison among BC, bamboo panels and masonry
2.2.1BC对建筑构件热湿性能的影响
以南侧外墙为例分析L型和M型构造填充层的全年含湿量,结果见图7.由图7(a)可见,BC对wCF的均值并不产生明显影响,但能明显减小其变化振幅,对于HVAC-on工况,wCF振幅减小了0.71~104.52kg/m3,以BC/NC模型组的模拟结果比值作为指标,评价BC对构造热湿性能的影响.对于wCF振幅,BC模型组为NC模型组的6.44%~85.58%,可见BC对填充层含湿量起到显著稳定作用.由图7(b),(c)可见,BC由于自身吸放湿特性,对外墙湿流起到缓冲作用,从而可减小外墙湿热流量.对于湿流量Mflow,BC模型组为NC模型组的84.47%~101.55%;相应地,对于热流量Hflow,BC模型组为NC模型组的67.79%~92.45%.
2.2.2BC对围护空间热湿性能的影响
围护空间室内热湿环境和年HVAC需求模拟结果见图8.由图8可知,BC的添加并不对θi-mean,φi-mean和θis-mean产生明显影响,但可以减小相应的振幅θi-amp,φi-amp和θis-amp.由图8(a)可见,在HVAC-off工况下,BC模型组φi-amp最大减幅达4.0%;由图8(b) 可见,BC模型组θi-amp相比于NC模型组减小了0.7~2.5℃;由图8(c)可见,以南侧外墙为例,BC模型组θis-amp比NC模型组θis-amp减小了0.9~3.0℃,表明BC更有助于维持室内热湿环境的稳定;由图8(d)可见,BC的添加有助于缩短HVAC开启时间HVACperiod,BC模型组HVACperiod为NC模型组的91.12%~96.39%;由图8(e),(f)可见,在打开理想HVAC设备维持空间单元一定舒适性的情况下,与NC模型组相比,BC模型组的P值减小为77.37%~86.00%,H值为93.81%~102.07%.H值除受围护结构湿流量大小的影响外,还受室内湿负荷、建筑构件湿流方向等多方面因素综合影响,该模拟结果表明BC并不能对加湿和除湿量起明确作用.
图7 外墙热湿性能模拟结果Fig.7 Exterior wall hygrothermal performance simulation results
图8 围护空间室内热湿环境和年HVAC需求模拟结果Fig.8 Enclosed space indoor hygrothermal environment and annual HVAC demand simulation results
3 结论
(1)与3种竹板相比,在本文测试范围内竹炭平衡含水率在相对湿度为33.4%~85.4%时得到扩大;其蒸汽渗透系数为9.32×10-11kg/(m·s·Pa),是竹板的10.0~213.2倍,表明炭化处理使BC的调湿容量和调湿速率得到扩大.
(2)建筑构件和围护空间热湿性能模拟结果显示,竹炭对构造填充层含湿量起显著稳定作用,并可减小外墙热湿流量和内表面温度振幅.竹炭有助于减小室内空气温湿度振幅,缩短HVAC开启时间,降低供暖和制冷量,但对加湿和除湿量影响不明显.
致谢:浙江农林大学工程学院张文标教授、浙江笙炭控股有限公司陈俊辉先生为本研究工作提供竹炭样品;Fraunhofer IBP(德国费劳恩霍夫建筑物理研究所)提供WUFI Plus软件使用权; Matthias Pazold先生、Manuel Lindauer博士和Simon Schmidt博士为模拟方案和软件使用提供建议与技术支持,在此鸣谢.
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