本发明涉及建筑能源技术领域，特别涉及一种建筑材料变化热物性参数的获取方法及装置。
背景技术：
在现有的建筑材料热物理性质表中，热物性参数是建筑材料某一含湿状态下的热物性参数值，在进行相关的理论研究及工程应用中，大部分忽略了含湿量变化的影响。当考虑建筑材料内部的热湿(质)耦合传递时，含湿量的影响不可忽略。建筑材料内含湿量的多少及迁移会影响其热物性参数，从而对建筑的保温性能、建筑冷热需求及耐久性都将产生不可忽略的影响。目前对于建筑材料，尤其是高噪音、高温高湿的冷热源机房等围护结构的热质耦合传递研究还没有统一规范的表示方式和获得方法，致使建筑材料多孔介质的热质耦合传递研究缺乏大量的热湿迁移物性基础数据，研究进程一直很缓慢。
在以往的建筑能耗设计及负荷预测计算的供能系统调节中，对于一个固定的建筑，其建筑能耗中的围护结构能耗只是受室内外环境因素的影响，没有考虑到围护结构自身的变化对能耗的影响，而导致冬季的供暖能耗或夏季空调能耗达不到设计标准，降低了房间的舒适性，严重的还会影响室内空气品质。
另外，近几年随着分布式能源的大力发展和演进，由于建筑墙体的冷热传输规律得不到有效预测和监控，致使供能区域内大量单体建筑的能耗实际值与设计值的偏差不断叠加，从而导致能源站/泛能站的运行稳定性面临巨大挑战。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种建筑材料变化热物性参数的获取方法，该方法能够简单、快速地得到精准性高的建筑材料变化热物性参数，为建筑楼宇的负荷预测、冷热需求运维提供了极大便利，且具有简单可行、易推广的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种建筑材料变化热物性参数的获取装置。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种建筑材料变化热物性参数的获取方法，包括以下步骤：确定建筑材料的组成成分及比例含量；对所述建筑材料进行干燥处理，直至所述建筑材料达到恒重状态；测量所述建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，所述热物性参数至少包括：干燥密度、干燥定压比热、干燥导热系数；根据所述建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，按照所述建筑材料各成分的比例含量确定含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数，并按照串并行两种模式的混合模型确定干燥导热系数的含湿量变化函数；根据所述干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数、干燥导热系数的含湿量变化函数生成节能建筑能耗变化曲线，以便根据所述节能建筑能耗变化曲线对节能建筑进行相关工程设计计算及运行调节。
另外，根据本发明上述实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数为：
ρ＝ρ(wl,wi)＝ρdry+ρlwl+ρiwi-ρa(wl+wi)
其中，ρa、ρl、ρi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的密度，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，ρdry为恒重状态下的干燥密度。
在一些示例中，所述含湿状态下干燥定压比热的含湿量变化函数为：
cp＝cp(wl,wi)＝cpdry+cplwl+cpiwi-cpa(wl+wi)
其中，cpa、cpl、cpi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的定压比热，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，cpdry为恒重状态下的干燥定压比热。
在一些示例中，所述干燥导热系数的含湿量变化函数如下：
其中，λs表示固体骨架导热系数，η为孔隙率，λa、λl、λi分别为空气、液态含湿量和固态含湿量的导热系数。
在一些示例中，当建筑材料的固态含湿量和液态含湿量均为零时，有：
则，获得固体骨架导热系数为：
λs＝λs(λdry,η)，
其中，λdry为恒重状态下的干燥导热系数。
根据本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法，针对建筑材料热质耦合传递而导致的变化的热物性参数，将实验测试与理论分析结合解决建筑材料热质耦合传递导致的变化的热物性参数问题，能够简单、快速地得到精准性高的建筑材料变化热物性参数，为建筑楼宇的负荷预测、冷热需求运维提供了极大便利，且具有简单可行、易推广的优点。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种建筑材料变化热物性参数的获取装置，包括：确定模块，用于确定建筑材料的组成成分及比例含量；处理模块，用于对所述建筑材料进行干燥处理，直至所述建筑材料达到恒重状态；测量模块，用于测量所述建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，所述热物性参数至少包括：干燥密度、干燥定压比热、干燥导热系数；计算模块，用于根据所述建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，按照所述建筑材料各成分的比例含量确定含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数，并按照串并行两种模式的混合模型确定干燥导热系数的含湿量变化函数；生成模块，用于根据所述干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数、干燥导热系数的含湿量变化函数生成节能建筑能耗变化曲线，以便根据所述节能建筑能耗变化曲线对节能建筑进行相关工程设计计算及运行调节。
另外，根据本发明上述实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数为：
ρ＝ρ(wl,wi)＝ρdry+ρlwl+ρiwi-ρa(wl+wi)
其中，ρa、ρl、ρi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的密度，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，ρdry为恒重状态下的干燥密度。
在一些示例中，所述含湿状态下干燥定压比热的含湿量变化函数为：
cp＝cp(wl,wi)＝cpdry+cplwl+cpiwi-cpa(wl+wi)
其中，cpa、cpl、cpi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的定压比热，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，cpdry为恒重状态下的干燥定压比热。
在一些示例中，所述干燥导热系数的含湿量变化函数如下：
其中，λs表示固体骨架导热系数，η为孔隙率，λa、λl、λi分别为空气、液态含湿量和固态含湿量的导热系数。
在一些示例中，当建筑材料的固态含湿量和液态含湿量均为零时，有：
则，获得固体骨架导热系数为：
λs＝λs(λdry,η)，
其中，λdry为恒重状态下的干燥导热系数。
根据本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置，针对建筑材料热质耦合传递而导致的变化的热物性参数，将实验测试与理论分析结合解决建筑材料热质耦合传递导致的变化的热物性参数问题，能够简单、快速地得到精准性高的建筑材料变化热物性参数，为建筑楼宇的负荷预测、冷热需求运维提供了极大便利，且具有简单可行、易推广的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法的详细流程示意图；
图3是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法及装置。
图1是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法的流程图。图2是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法的详细流程示意。如图1所示，并结合图2，该方法包括以下步骤：
步骤s1：确定建筑材料的组成成分及比例含量。比例含量例如为百分比含量。
步骤s2：对建筑材料进行干燥处理，直至建筑材料达到恒重状态。
具体地，例如将建筑材料放在干燥箱中干燥直至恒重，此时，建筑材料达到恒重状态，即干燥状态。
步骤s3：测量建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，热物性参数至少包括：干燥密度、干燥定压比热、干燥导热系数，如图2所示。
在具体示例中，恒重状态下的热物性参数主要通过试验获得：首先将建筑材料制作的试样放入干燥箱进行干燥(干燥温度低于100℃)，定期称重直至重量不再发生变化，此时认为试样已经进入完全干燥状态。建筑材料试样进入完全干燥状态后，即可进行孔隙率及干燥状态热物性参数的测量：在室内环境中，利用比热容测试仪测试以获得建筑材料干燥状态下的比热容；称量干燥试样的重量和体积计算试样密度以获得建筑材料干燥状态下的密度；利用建筑材料导热仪测量其导热系数以获得干燥导热系数；将完全干燥试样放入水中浸泡数天直至恒重，利用吸渗法可获得建筑材料的孔隙率。
通过以上试验步骤，最终可确定建筑材料干燥状态下的密度ρdry、定压比热cpdry、导热系数λdry以及孔隙率η。
步骤s4：根据建筑材料的孔隙率及恒重状态(干燥状态)下的热物性参数，按照建筑材料各成分的比例含量确定含湿状态下干燥密度的含湿量(包括固态含湿量和液态含湿量)变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数，并按照串并行两种模式的混合模型确定干燥导热系数的含湿量(包括固态含湿量和液态含湿量)变化函数。
结合图2所示，变化热物性参数函数获得方法：由建筑材料的组成成分及比例百分含量，根据实验测试获得的孔隙率及干燥状态下热物性参数，按照建筑材料各组分的比例含量确定湿状态密度、定压比热的含湿量(包括固态含湿量和液态含湿量)变化函数，湿状态密度可表示为：
ρ＝ρ(wl,wi)＝ρs(1-η)+ρlwl+ρiwi+ρa(η-wl-wi)(1)
湿状态定压比热可以表示为：
cp＝cp(wl,wi)＝(1-η)cps+wlcpl+wicpi+(η-wl-wi)cpa(2)
其中，ρs、ρa、ρl、ρi分别表示固体骨架、空气、液态含湿量和固态含湿量的密度；cps、cpa、cpl、cpa分别表示固体骨架、空气、液态含湿量和固态含湿量的定压比热；wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量。
进而，根据上式可得建筑材料完全干燥状态时，干燥密度和干燥定压比热关系式：
ρdry＝ρs(1-η)+ρaη，
cpdry＝(1-η)cps+ηcpa，
从而，可得到ρs和cps。
基于此，在本发明的一个实施例中，将ρs和cps分别带入(1)和(2)式，即可得到含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数为：
ρ＝ρ(wl,wi)＝ρdry+ρlwl+ρiwi-ρa(wl+wi)(3)
其中，ρa、ρl、ρi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的密度，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，ρdry为恒重状态下的干燥密度。
同时，可得到含湿状态下干燥定压比热的含湿量变化函数为：
cp＝cp(wl,wi)＝cpdry+cplwl+cpiwi-cpa(wl+wi)(4)
其中，cpa、cpl、cpi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的定压比热，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，cpdry为恒重状态下的干燥定压比热。
进一步地，在本发明的一个实施例中，按照串并行两种模式的混合模型确定的干燥导热系数的含湿量变化函数如下：
其中，λs表示固体骨架导热系数，η为孔隙率，λa、λl、λi分别为空气、液态含湿量和固态含湿量的导热系数。
基于上式(5)，在本发明的一个实施例中，当建筑材料处于干燥状态，即固态含湿量和液态含湿量均为零时，有：
则，获得固体骨架导热系数为：
λs＝λs(λdry,η)，
其中，λdry为恒重状态下的干燥导热系数。
步骤s5：根据干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数、干燥导热系数的含湿量变化函数生成节能建筑能耗变化曲线，以便根据节能建筑能耗变化曲线对节能建筑进行相关工程设计计算及运行调节。具体地说，将得到的含湿状态下热物性参数含湿量变化函数代入能量守恒等方程组，即可获得节能建筑能耗变化曲线用于诸如节能建筑冬季供暖系统或夏季空调系统等的工程设计计算及运行调节。从而，利用建筑围护结构各层建筑材料湿状态热物性参数变化函数，即可对节能建筑的能耗系统进行设计计算、建立运行调节方案。
为了便于更好地理解本发明，以下结合具体的实施例对本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法进行具体描述。
在本实施例中，取原料配比水泥：砂子：石子：水为1:2:3:0.62的混凝土建筑多孔材料，制作八个试样用来测试干燥物性参数，分别为五个直径为35mm的圆柱型试样以及三个规格为300×300×50mm的长方体试样。将制作的试样放入干燥箱进行干燥，定期称重直至重量不再发生变化，此时认为试样已经进入完全干燥状态。利用比热容测试仪测试五个直径为35mm的圆柱型试样(编号1-5)的热比容并取平均值即可获得建筑材料的干燥比热容，测量结果如表1所示；称量长方体试样(编号6-8)的重量和体积计算试样密度并取平均值即可获得干燥密度；测量其导热系数并取平均值即可获得干燥导热系数；将完全干燥试样放入水中浸泡，利用吸渗法获得试样的孔隙率，测试结果如下表1所示：
表1
经实验测试建筑材料混凝土的干燥热物理基础物性参数值为：干燥密度为2221kg/m3，干燥定压比热为730j/(kg·k)，干燥导热系数为1.49w/m·k，孔隙率为17.23％。
根据测试获得的干燥热物性参数值，及建筑材料变化热物性参数函数可以获得混凝土的热物性参数密度函数如下：
定压比热函数如下：
进一步地，由干燥导热系数：
计算得固体骨架导热系数为3.41w/m·k，因此有效导热系数函数为：
围护结构热质耦合传递的能量守恒方程为：
综上，根据本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法，针对建筑材料热质耦合传递而导致的变化的热物性参数，将实验测试与理论分析结合解决建筑材料热质耦合传递导致的变化的热物性参数问题，能够简单、快速地得到精准性高的建筑材料变化热物性参数，为建筑楼宇的负荷预测、冷热需求运维提供了极大便利，且具有简单可行、易推广的优点。
本发明的进一步实施例还提出了一种建筑材料变化热物性参数的获取装置。
图3是根据本发明一个实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置的结构框图。如图3所示，该建筑材料变化热物性参数的获取装置100包括：确定模块110、处理模块120、测量模块130、计算模块140和生成模块150。
其中，确定模块110用于确定建筑材料的组成成分及比例含量。比例含量例如为百分比含量。
处理模块120用于对建筑材料进行干燥处理，直至建筑材料达到恒重状态。具体地，例如将建筑材料放在干燥箱中干燥直至恒重，此时，建筑材料达到恒重状态，即干燥状态。
测量模块130用于测量建筑材料的孔隙率及恒重状态下的热物性参数，热物性参数至少包括：干燥密度、干燥定压比热、干燥导热系数。
在具体示例中，恒重状态下的热物性参数主要通过试验获得：首先将建筑材料制作的试样放入干燥箱进行干燥(干燥温度低于100℃)，定期称重直至重量不再发生变化，此时认为试样已经进入完全干燥状态。建筑材料试样进入完全干燥状态后，即可进行孔隙率及干燥状态热物性参数的测量：在室内环境中，利用比热容测试仪测试以获得建筑材料干燥状态下的比热容；称量干燥试样的重量和体积计算试样密度以获得建筑材料干燥状态下的密度；利用建筑材料导热仪测量其导热系数以获得干燥导热系数；将完全干燥试样放入水中浸泡数天直至恒重，利用吸渗法可获得建筑材料的孔隙率。
通过以上试验步骤，最终可确定建筑材料干燥状态下的密度ρdry、定压比热cpdry、导热系数λdry以及孔隙率η。
计算模块140用于根据建筑材料的孔隙率及恒重状态(干燥状态)下的热物性参数，按照建筑材料各成分的比例含量确定含湿状态下干燥密度的含湿量(包括固态含湿量和液态含湿量)变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数，并按照串并行两种模式的混合模型确定干燥导热系数的含湿量(包括固态含湿量和液态含湿量)变化函数。
其中，在本发明的一个实施例中，含湿状态下干燥密度的含湿量变化函数为：
ρ＝ρ(wl,wi)＝ρdry+ρlwl+ρiwi-ρa(wl+wi)
其中，ρa、ρl、ρi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的密度，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，ρdry为恒重状态下的干燥密度。
在本发明的一个实施例中，含湿状态下干燥定压比热的含湿量变化函数为：
cp＝cp(wl,wi)＝cpdry+cplwl+cpiwi-cpa(wl+wi)
其中，cpa、cpl、cpi分别表示空气、液态含湿量和固态含湿量的定压比热，wl,wi分别表示液态含湿量和固态含湿量，cpdry为恒重状态下的干燥定压比热。
在本发明的一个实施例中，干燥导热系数的含湿量变化函数如下：
其中，λs表示固体骨架导热系数，η为孔隙率，λa、λl、λi分别为空气、液态含湿量和固态含湿量的导热系数。
基于此，在本发明的一个实施例中，当建筑材料处于干燥状态，即固态含湿量和液态含湿量均为零时，有：
则，获得固体骨架导热系数为：
λs＝λs(λdry,η)，
其中，λdry为恒重状态下的干燥导热系数。
生成模块150用于根据干燥密度的含湿量变化函数、干燥定压比热的含湿量变化函数、干燥导热系数的含湿量变化函数生成节能建筑能耗变化曲线，以便根据节能建筑能耗变化曲线对节能建筑进行相关工程设计计算及运行调节。具体地说，将得到的含湿状态下热物性参数含湿量变化函数代入能量守恒等方程组，即可获得节能建筑能耗变化曲线用于诸如节能建筑冬季供暖系统或夏季空调系统等的工程设计计算及运行调节。从而，利用建筑围护结构各层建筑材料湿状态热物性参数变化函数，即可对节能建筑的能耗系统进行设计计算、建立运行调节方案。
需要说明的是，本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置的具体实现方式与本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
根据本发明实施例的建筑材料变化热物性参数的获取装置，针对建筑材料热质耦合传递而导致的变化的热物性参数，将实验测试与理论分析结合解决建筑材料热质耦合传递导致的变化的热物性参数问题，能够简单、快速地得到精准性高的建筑材料变化热物性参数，为建筑楼宇的负荷预测、冷热需求运维提供了极大便利，且具有简单可行、易推广的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。