多孔材料濕緩沖循環(huán)的節(jié)能效果

張明杰，陳智

(1.南京大學 建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇 南京 210093；2.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

多孔材料可用于調節(jié)建筑室內濕度，是近年新型被動式節(jié)能建材研究的熱點。室內相對濕度往往隨濕負荷呈周期性波動，內壁面多孔材料在濕度高峰期吸濕和低谷期放濕，這種吸放濕循環(huán)機制可以有效降低室內濕度波幅，稱作濕緩沖循環(huán)[1]。

隨著研究的不斷深入，作為材料在不同氣候區(qū)推廣應用策略的重要理論基礎，探討真實氣候條件下多孔材料濕緩沖循環(huán)的節(jié)能效果成為當前研究的重要內容[2-4]。部分學者開展了一定的短期實驗研究。黃翔等[5]通過搭建測試風道模擬西安氣象條件，研究了高濕空間中多孔調濕板材單個濕緩沖循環(huán)周期(10 h)的吸濕效果，結果顯示相對濕度可降低約25%。吳宏偉[6]在重慶某實驗樓3 層屋頂上搭建了全尺寸實驗房，通過連續(xù)2 日實測發(fā)現(xiàn)，結合間歇式空調，硅藻土調濕材料可控制室內相對濕度在50%以下。隨著傳濕理論和數(shù)值模型的不斷完善，部分學者選擇使用簡化計算和數(shù)值模擬等方法進行不同城市多孔材料長期調濕節(jié)能效果的研究。黃季宜和金招芬[7]基于北京地區(qū)辦公建筑全年濕負荷估算，討論了凝膠調濕建材蓄濕調濕的可行性。Rode 和Grau[8]應用熱濕耦合模型模擬分析了加氣混凝土在丹麥哥本哈根氣象條件下的全年調濕效果，結果顯示室內相對濕度相比于參照組更波幅較小。鄭佳宜[9]采用有效濕滲透厚度模型，在室外氣候條件及室內周期性濕負荷作用下，模擬了南京冬季典型氣候下墻體內側鋪設和未鋪設硅藻土調濕材料室內空氣溫度、相對濕度和含濕量的變化規(guī)律。部分學者[10-11]使用濕緩沖值的方法對多孔材料在南京等氣候區(qū)潛熱節(jié)能效果進行了估算。除了對多孔調濕材料，近年來有學者對兼具調熱調濕性能的復合相變調濕材料也開展了一系列研究[12-14]。

值得注意的是，以往研究沒有著重從房間尺度解析和對比不同濕緩沖循環(huán)機制的節(jié)能效果。本研究首先基于理想辦公建筑工況對日周期濕緩沖循環(huán)機制進行解析。然后通過分析氣濕度特征，比較不同氣候條件下濕緩沖循環(huán)的分布趨勢。最后利用熱濕耦合-相變焓模型對火山石基復合相變調濕材料的全年周期濕緩沖循環(huán)及節(jié)能效果進行了模擬研究。

1 理想工況下的濕緩沖循環(huán)

選取BESTEST Case 600 作為標準建筑算例[15]。設定房間為辦公空間，工作時段為09：00～17：00，期間室內濕源總產(chǎn)濕量為500 g/h；其余時段室內無產(chǎn)濕；房間換氣次數(shù)為0.5次/h。設置理想工況1：室內外氣溫恒定在20 ℃，不考慮各種熱擾影響；室內初始相對濕度為30%，工作時段控制相對濕度不超過65%；室外相對濕度恒定為30%(低濕)。設置理想工況2：室外相對濕度恒定在80%(高濕)，其他設置均與工況1 相同。2 種工況下，依次設置參照組和調濕組：參照組不考慮內壁面濕緩沖效應；調濕組內壁面應用加氣混凝土調濕材料，詳細參數(shù)見文獻[8]，壁面?zhèn)鳚褡枇ο禂?shù)為5×107 m2sPa/kg。利用文獻[15]中解析法求解得到穩(wěn)定后的室內逐時相對濕度，如圖1 所示。調濕組與參照組的濕度差即體現(xiàn)出多孔材料的濕緩沖效應。

圖1 日周期內2 種濕緩沖循環(huán)機制

圖1(a)為理想工況1 時的濕緩沖循環(huán)：工作時段材料通過吸濕緩沖室內相對濕度上升，非工作時段放濕減弱室內濕度下降。而圖1(b)濕緩沖循環(huán)則剛好相反，即在工作時段放濕，非工作時段吸濕。2 種濕緩沖日循環(huán)機制均起到了減小相對濕度波動的效果。但分時段來看，圖1(a)所示晝吸夜放的濕緩沖循環(huán)能夠縮短工作時段除濕時長，降低空調濕負荷。相比而言，圖1(b)所示濕緩沖循環(huán)反而有增加空調濕負荷的風險。二者的差異性應納入多孔調濕材料節(jié)能效益評估的考慮。

2 典型城市濕度氣候特征

2.1 空調房間室內濕度波動的峰谷關系

考慮空調房間的典型情況，即制冷和采暖工況：室內設計溫度制冷季取18 ℃，采暖季取26 ℃；相對濕度均控制不超過65%[14]。工作時段，考慮室內人員和設備等多種濕源影響，相對濕度達到最大值65%；非工作時段，在室內濕源影響消除后，室內外通風最直接影響房間濕度波動。因此，當室內外濕度滿足式(1)時，室內濕度將下降，即可為晝吸夜放的濕緩沖循環(huán)提供條件：

式中：φset——設計相對濕度限值；

φe——室外相對濕度。

為了排除溫度的干擾，將式(1)中相對濕度替換為空氣含濕量用式(2)來表征：

式中：Wset——設計空氣含濕量，kg/kg；

We——室外空氣相對濕度，kg/kg。

制冷工況下，Wset，c=0.0139 kg/kg，采暖工況下，Wset，h=0.0096 kg/kg。

相反，如果非工作時段室外濕度較高，則濕緩沖循環(huán)呈現(xiàn)出夜吸晝放的模式。通過分析真實氣候長周期內2 種模式發(fā)生幾率的大小關系，即可對多孔材料的濕緩沖節(jié)能效果進行初步判斷。

2.2 濕度氣候特征統(tǒng)計分析

選取北京(大陸性季風氣候)、廣州(亞熱帶濕潤氣候)、巴黎(溫帶氣候)和亞特蘭大(亞熱帶半濕潤氣候)4 個城市進行濕度氣候特征分析。圖2 以北京和廣州為例展示了全年濕度逐時波動的情況。北京濕度波動的季節(jié)性明顯：1～4 月、11～12月室外空氣濕度較低，含濕量小于 Wset，h；5～10 月室外空氣濕度明顯升高，7～8 月含濕量多數(shù)時段高于Wset，c。相比之下，廣州地區(qū)的全年濕度明顯偏高，1～4 月、11～12 月室外空氣平均含濕量接近 Wset，h；5～10 月平均含濕量遠高于 Wset，c。

圖2 北京、廣州全年濕度波動

按照辦公建筑工況，對4 個城市全年工作時段和非工作時段的室外空氣含濕量平均值進行統(tǒng)計分析，如表1 所示。

表1 典型城市室外空氣平均含濕量

由表1 可以看出，工作時段和非工作時段室外空氣含濕量平均值相差不大。重點關注非工作時段濕度情況，結合式(2)可以發(fā)現(xiàn)，除廣州外，北京、巴黎和亞特蘭大地區(qū)5～10 月室外含濕量平均值均低于0.0139 kg/kg，其中巴黎最小；1～4月和11～12 月室外含濕量平均值均低于0.0096 kg/kg，北京最小。由此可推斷，夏季晝吸夜放的濕緩沖循環(huán)在巴黎出現(xiàn)幾率最高，冬季在北京出現(xiàn)幾率最高。而夜吸晝放的濕緩沖循環(huán)模式在廣州地區(qū)出現(xiàn)的幾率最高。

3 算例設置及調濕材料參數(shù)

參照BESETEST Case 600 定義算例建筑，圍護結構構造及材料參數(shù)設置見表2。設定房間為辦公空間，工作時段為09：00～17：00 時，期間室內溫度控制在 18～26 ℃，相對濕度均控制不超過65%，房間熱源密度為15 W/m2，濕源總產(chǎn)濕率為6 g(/m3·h)，換氣次數(shù)為0.5 次/h。非工作時段，房間無產(chǎn)熱產(chǎn)濕，提高換氣次數(shù)至2 次/h。

表2 圍護結構構造(從外至內)及材料參數(shù)

在北京、廣州、巴黎和亞特蘭大4 個城市氣候條件下，各設置 1 個參照組(CaseA1)和2 個實驗組(CaseA2 和CaseA3)。CaseA1 不考慮內壁面濕緩沖效應；CaseA2 和CaseA3 各設置63.6 m2和159.6 m2火山石基復合相變調濕材料[14]，其參數(shù)見表3。

表3 火山石基復合相變調濕材料參數(shù)

為了分析全年周期動態(tài)濕緩沖循環(huán)，利用EnergyPlus 軟件和熱濕耦合-相變焓模型[12]完成各組算例室內熱濕環(huán)境和能耗模擬。

4 結果分析

各組算例1 月1～7 日室內相對濕度模擬結果如圖3 所示。

圖3 算例1 月1～7 日室內相對濕度模擬結果

由圖3 可見，相較于參照組，各實驗組室內濕度波幅明顯減小。北京實驗組調濕材料日周期內的吸放濕過程均為晝吸夜放濕緩沖循環(huán)，全時段內濕度均未達到除濕點。類似的，巴黎和亞特蘭大組實驗組算例濕緩沖循環(huán)也以晝吸夜放為主，應用調濕材料面積更大的CaseA3 室內濕度達到除濕點時長有顯著縮短。廣州組算例在本周內出現(xiàn)2 種濕緩沖循環(huán)模式：1～4 日為晝吸夜放模式；5～7 日，由于室外濕度偏高的影響，實驗組濕緩沖模式變換為夜吸晝放模式。工作時段內，大部分情況下室內相對濕度控制在除濕點。這與前文分析得知的廣州高濕氣候特征是一致的。

各組算例8 月1～7 日室內相對濕度模擬結果如圖4 所示。

圖4 算例8 月1～7 日室內相對濕度模擬結果

由圖4 可見，與冬季情況相比，北京、廣州和亞特蘭大組算例主要呈現(xiàn)為夜吸晝放濕緩沖模式；6～7 日，北京室外濕度呈現(xiàn)低位波動，受此影響實驗組濕緩沖模式變換為晝吸夜放。相比之下，冬夏季節(jié)巴黎組算例實驗組均呈現(xiàn)出以晝吸夜放濕緩沖模式為主的趨勢，可以推斷，巴黎實驗組算例的濕負荷可有效降低。

計算得到各組算例參照組單位建筑面積能耗從大到小依次是：廣州 72.92 kWh/(m2·a)、北京 57.43 kWh/(m2·a)、亞特蘭大 49.06 kWh/(m2·a)、巴黎 43.42 kWh/(m2·a)，顯熱負荷占比分別為42.8%、74.7%、59.2%、61.4%。

實驗組CaseA3 相比于各自參照組的節(jié)能率見表4。

表4 實驗組CaseA3 算例節(jié)能率

由表4 可見，顯熱節(jié)能效果總體較小，一方面，主要是由于所用復合相變調濕材料中相變組分占比較低，且相變溫度區(qū)間較小，僅制冷季能夠發(fā)揮相變調熱功能；另一方面，是由于工作時段材料吸濕過程伴隨放熱，有增加室內熱負荷的風險。就潛熱節(jié)能而言，除廣州外，其他3 個城市CaseA3 潛熱節(jié)能率均達到30%以上，體現(xiàn)出濕緩沖效應較好的節(jié)能潛力。其中，巴黎算例潛熱節(jié)能率達到50%以上，節(jié)能效果最好。這驗證了圖3 和圖4 中巴黎冬夏季濕緩沖循環(huán)以晝吸夜放模式為主可有效降低濕負荷的推論。總體節(jié)能率排序依次為巴黎＞亞特蘭大＞北京＞廣州。

需要說明的是，夜吸晝放濕緩沖循環(huán)縮短高濕時段的效果，能有效提升舒適度，并減小高濕造成霉變、微生物大量繁殖等風險，對改善室內空氣品質有重要幫助。未來研究可以考慮從節(jié)能、熱舒適和室內空氣品質等多個維度進行多孔調濕材料效益評價。

5 結 論

理想工況下辦公建筑空調房間應用多孔調濕材料存在晝吸夜放和夜吸晝放2 種濕緩沖循環(huán)機制。前者可以有效降低空調濕負荷，達到被動式節(jié)能的效果。通過對比4 個城市的濕度氣候特征推斷晝吸夜放濕緩沖循環(huán)夏季在巴黎發(fā)生頻次最高，冬季在北京發(fā)生頻次最高，而夜吸晝放濕緩沖循環(huán)全年在廣州發(fā)生頻次最高。全年周期濕緩沖模擬發(fā)現(xiàn)，巴黎冬夏季均以晝吸夜放濕緩沖循環(huán)為主，北京、亞特蘭大和廣州濕緩沖循環(huán)模式呈現(xiàn)出明顯的冬夏差異。對比參照組，調濕組節(jié)能率最高的是巴黎算例，其次是亞特蘭大、北京和廣州。