地板輻射采暖對調濕材料性能影響的探究

謝昊巖 胡景波

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

室內濕度影響著日常生活生產的各個方面，如博物館，畫廊等場所以及紡織等生產工藝都對濕度有著很高的要求。目前應用比較廣泛的控制濕度的手段為使用空調系統與通風系統等[1-3]。然而，這會消耗大量的能源，且很不方便。

在建筑圍護結構內表面應用調濕材料是一種調控室內濕度的被動式手段[4]。調濕材料具有多孔特質，可以吸附水分子，也可以使水分子脫附。依靠自身的吸放濕能力，調濕材料可使室內濕度等級維持在一定范圍內。

輻射采暖系統通過對流和輻射兩種方式來消除室內熱負荷，因此其圍護結構內表面溫度會有所升高，在內表面敷設調濕材料時其性能也會受其影響。國內外很多學者都在溫度對調濕材料性能的影響上進行了研究[5-6]，例如 Rahim 等人 [7]和Dubois [8]等人都探究了不同溫度下材料吸附等溫線的變化，結果表明溫度對其有顯著的影響。但是，很少有研究關于輻射采暖系統中使用調濕材料調節室內濕度的可能性。因此本文對輻射采暖房間進行模擬，探究不同影響因素對調濕材料性能的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文基于美國勞倫斯伯克利國家實驗室進行的輻射空調實驗建立模型[9]。模擬房間尺寸為 9.32 m×6.32 m×4 .0 m（長×寬 ×高 ），房間內設定不同功率的熱源模擬人員和設備散熱，總內功率為 3200 W，其熱源和部分傳感器布置情況如圖1 所示。圍護結構傳熱系數分別為：東墻 0.15 W/(m2· K)，西墻 0.09 W/(m2· K)，南墻 0.55 W/(m2· K)，北墻 0.41 W/(m2· K)，玻璃窗 1.75 W/(m2· K)，屋頂 0.32 W/(m2· K)，地板 0.24 W/(m2· K)，本文使用TRNSYS 軟件進行模擬，模型設置具體如圖2 所示。

圖1 熱源布置示意圖

圖2 房間尺寸設置

1.2 數學模型

目前對于空間內熱濕耦合傳遞主要使用的計算模型有三種，H AMT 模型[10]，E C 模型[11]以及 EMPD 模型[12]，表 1 給出了三種模型特點的對比。綜合考慮精確度要求和計算時間限制，本文使用 EMPD 模型進行模擬計算，如式（1）～（3）。

表1 三種模型對比

空間濕平衡方程為：

式中：V為體積，m ；RV為分子常數；T為空間內空氣平均溫度，K ；Pv i為空間內空氣水蒸氣分壓力，P a；Pv e為空間外部空氣水蒸氣分壓力，P a；t為計算時刻；n為換3氣次數；G vp為室內產濕量，kg/s；G buf為調濕材料吸放濕量，k g/s。

調濕材料吸放濕量的計算公式為：

式中：P vb和T b為調試材料內部水蒸氣分壓力和溫度；β為表面傳質系數；δ為材料水蒸氣滲透系數，kg/(m·s · Pa)；P v,sat為飽和水蒸氣分壓力，Pa；db的計算公式為：

式中：a為調整系數，與實際情況有關；dp為材料有效滲透深度，m ；ξ為材料濕容量，k g/。

1.3 材料選擇

Ge 等人將實際中常用的調濕材料根據其濕容和水蒸氣滲透系數的大小[13]分為三類。A 類調濕材料的濕容很高，其范圍在 0.50～0.85 kg/(m3· % RH)之間，但水蒸氣滲透系數低（阻力系數在 100 左右）。B 類材料的滲透系數高（阻汽系數約為 10），但濕容低（小于0.1 kg/ (m·3%RH)）。C 類材料同時具有高的濕容和水蒸氣滲透系數。本文選擇了三種代表性的材料進行研究，具體的材料物性見表2，其中，松木屬于 A 類，石膏屬于B 類，木纖維板屬于C 類。

表2 材料物性

1.4 工況設置

模擬時間段為12月21日6時至12月26日6時。每天從早上6:00 到晚上18:00，房間內3200 W 熱源全部開啟運行，房間溫度設定為24 ℃。夜間從18:00至次日上午6:00，室內所有空調系統和熱源均關閉，通過風機進行夜間機械通風，通風氣流從室外直接引入室內。

2 模擬結果分析

本文首先探究了在地板輻射采暖房間中使用調濕材料的效果，對不使用調濕材料的房間和使用調濕材料的房間分別進行了模擬，并進行了對比分析。然后，對無地板輻射采暖但使用調濕材料的房間進行模擬計算，以探究輻射換熱對調濕材料調濕效果的影響。最后，更換材料種類，探究不用種材料的調濕效果。模擬時間為五天，由結果可知，在第三天時室內空氣含濕量波動范圍最大，為方便起見，下文分析均以第三天為例。

2.1 松木模擬結果分析

松木的模擬結果如圖3 所示，當不使用調濕材料時，室內空氣含濕量變化范圍為0.0074～0.0168 kg/kg，使用調濕材料之后，其波動范圍變為 0.0082～0.0126 kg/kg，縮小了53.1%。當開啟地板輻射采暖系統后，室內空氣含濕量范圍為0.0080～0.0121 kg/kg，相比無輻射情況范圍進一步縮小了6.8%

圖3 松木模擬結果

2.2 石膏模擬結果分析

石膏的模擬結果如圖4 所示，當不使用調濕材料時，室內空氣含濕量變化范圍為0.0074～0.0168 kg/kg，使用調濕材料之后，其波動范圍變為 0.0095～0.0133 kg/kg，縮小59.6%。當開啟地板輻射采暖系統后，室內空氣含濕量范圍為 0.0097～0.0132 kg/kg，相比無輻射情況范圍進一步縮小了7.9%。

圖4 石膏模擬結果

2.3 木纖維板模擬結果分析

木纖維板的模擬結果如圖5 所示，當不使用調濕材料時，室內空氣含濕量變化范圍為 0.0074～0.0168 kg/kg，使用調濕材料之后，其波動范圍變為0.0092～0.0115 kg/kg，縮小了75.5%。當開啟地板輻射采暖系統后，室內空氣含濕量范圍為 0.0092～0.0112 kg/kg，相比無輻射情況范圍進一步縮小了13.0%。

圖5 木纖維板模擬結果

從圖3～5 可以看出，調濕材料具有很顯著的調濕效果，但值得注意的是上述計算結果均為在理想情況下，室內表面全部敷設調濕材料的結果，而在實際應用中，材料往往會受到一定程度的破壞，而且各種環境因素，例如日照、敷設面積，通風情況等等均會影響材料效果，所以要達到模擬結果中的效果有些困難。在上述工況中，開啟地板輻射采暖系統后，調濕材料調濕效果進一步增強，這是因為在材料的傳質過程中，內部阻力大于表面阻力，因此表面濕傳遞占主導作用，而隨著溫度的升高，表面傳質系數會增大，因此材料的調濕效果得到了增強。

3 結論

本文使用數值模擬的方法，針對地板輻射采暖對調濕材料性能的影響進行了研究。其結果表明：

1）不同種類的材料具有不同的吸濕特性，在本研究的工況中，木纖維板（C 類材料）的調濕效果最為顯著，石膏（B 類材料）次之，然后是松木（A 類材料），因此在濕負荷特點類似的情況中，例如辦公室建筑，可以盡可能考慮使用B 類或C 類材料。

2）地板輻射采暖系統由于能夠提高圍護結構內表面溫度，所以可以略微提升調濕材料的調濕效果，不過總體來說，考慮到實際情況中材料效果會受到多方面因素的影響，在選擇材料的時候基本可以忽略地板輻射采暖系統的影響。