調濕材料及其應用于輻射供冷防結露中的研究現狀與展望

隋學敏 張展鵬 杜澤政 韓 兵 宇森鋒

（長安大學建筑工程學院 西安 710061）

0 引言

建筑能耗是我國能源消耗的三大巨頭之一，約占全國總能耗的三分之一[1]，其中空調系統能耗占建筑能耗的70%左右[2]，降低空調系統能耗勢在必行?？照{系統按其末端換熱方式分為輻射空調系統和對流式空調系統。相比對流式空調系統，輻射系統因其可實現溫濕度獨立控制、無吹風感、噪音小、能耗小、運行成本低等優點受到廣泛關注。然而，輻射空調系統因存在結露問題制約了其推廣和應用。

當前主流的解決輻射供冷系統結露問題的方法是將輻射供冷系統和不同形式的新風系統進行耦合，通過新風系統消除室內的濕負荷，從而防止輻射供冷系統發生結露。然而，不同形式的新風系統都是通過主動除濕方式除去室內的濕負荷，這無疑增加了系統的能耗。因此，可考慮通過被動除濕方式除去輻射供冷房間室內濕負荷，從而降低除濕能耗。

當前常用的濕度控制方式有冷卻除濕、液體除濕、固體吸附除濕[3]。然而近年來，各種新型材料的不斷涌現，增加了濕度控制的方式，如利用調濕材料控制室內濕度。調濕材料是指不借助任何人造能源和機械設備，依靠自身的吸放濕性能，感應所控空間的空氣濕度變化，在低濕度時放濕，在高濕度時吸濕，從而自動調節空氣相對濕度的材料[4]。顯然，調濕材料是一種被動調節室內濕度的技術，可考慮將其和輻射供冷系統結合，既可降低系統結露風險，又能降低除濕能耗。

基于上述背景，本文對調濕材料及輻射供冷系統防結露的研究現狀進行了綜述，對將調濕材料控濕技術應用于輻射供冷領域進行了展望。

1 調濕材料的研究

1.1 調濕材料的調濕原理

調濕材料的調濕原理以圖1的吸放濕曲線來說明。當空氣相對濕度超過人類居住適宜的相對濕度上限（Φ2等于60%時），調濕材料吸收空氣中的水分，其平衡含濕量急劇增加，阻止空氣相對濕度增加；當空氣相對濕度低于人類居住適宜的相對濕度下限（Φ1等于40%時），調濕材料放出其內部的水分加濕空氣，材料的平衡含濕量迅速降低，阻止空氣相對濕度下降。只要材料的含濕量處于材料的最大平衡含濕量U2和最小平衡含濕量U1之間，室內空氣相對濕度就自動維持在40%～60%范圍。

圖1 調濕材料的平衡吸放濕曲線[5]Fig.1 Balanced adsorption-desorption curves of humidity control materials[5]

1.2 調濕材料的分類及其合成

1.2.1 調濕材料的分類

近年來，隨著國內外學者對調濕材料的不斷研究，調濕材料的品種越來越多，其分類方式也越來越多，可以根據調濕材料的調濕機理、調濕基材的種類、調濕基材的制備方法對調濕材料進行分類。根據調濕基材的制備方法可將調濕材料分為天然調濕材料和人工合成調濕材料，而人工合成調濕材料又包括無機調濕材料、有機調濕材料及復合調濕材料。各類調濕材料的優缺點如表1所示。

表1 各類調濕材料的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of various humidifying materials

1.2.2 調濕材料的合成

近年來，國內外學者以不同的調濕基材和常用建筑材料為原材料，并加以輔助材料，合成了大量的調濕材料；同時，對所制調濕材料的調濕性能進行測試，以探究性能較好調濕材料的合成方法，故而有必要對調濕材料的合成方法進行總結。人工合成的調濕材料包括無機調濕材料、有機調濕材料以及復合調濕材料，本節分別對不同類型調濕材料的合成方法進行綜述與總結。

（1）無機調濕材料的合成

無機調濕材料是以無機礦物為調濕基材、以常用建筑材料為主要輔助材料，通過一定的制備工藝合成的。為了得到性能較好的無機調濕材料，國內外學者對無機調濕材料的合成工藝及材料配比進行了大量的研究。鄭佳宜等[6]首先研究了硅藻土用于制作調濕材料的最佳煅燒時間以及煅燒溫度，然后以硅藻土為調濕原材料，以水泥、石膏、粉煤灰、楊樹木粉為輔助材料制成硅藻土基調濕材料，并測試其調濕性能，以探究各組分的最佳配比。閆杰等[7]以石膏、水泥和石灰為膠結材料，以吸附性能好的植物纖維、活性炭和高嶺土為調濕材料，制作了無機調濕建筑材料，并對其進行實驗以探究各組分的最佳配比。李景潤等[8]通過細度處理、煅燒處理、酸處理等方法對硅藻頁巖進行提純，并通過實驗對其所制無機調濕材料的調濕性能進行測試以確定硅藻頁巖的最佳提純工藝。王羽等[9]以硅藻土作為硅質材料、生石灰為鈣質材料，以石膏、水泥、纖維、硅灰石等為輔助材料，水熱合成硅藻土調濕板材，通過實驗探究了制作調濕板材的最佳工藝和最佳原材料配比。Sagae 等[10]以沸石替代不同量的沙子，制作了沸石基調濕材料以探究沸石的合理用量。Zhou 等[11]以天然礦物沸石、水泥、粉煤灰、楊樹纖維素、防霉抗菌物質為原材料，將其按不同的比例混合以探究各組分的用量對調濕材料調濕性能的影響。Chen 等[12]以硅藻土為基材、玻璃粉作為膠結材料、拋光石粉和粉煤灰為摻和材料，制備了硅藻土基調濕板材，通過實驗研究了各摻合料的用量和焙燒溫度對硅藻土基調濕板材調濕性能的影響，以確定制備硅藻土基調濕板材的最佳原料配比和最佳工藝條件。Yang 等[13]通過實驗研究了四種硅藻土基調濕材料的平衡吸放濕量、等溫吸放濕速率、循環吸放濕性能，以探究硅藻土基調濕材料的制作工藝。Gonzalez 等[14]以活性炭、海泡石和其他輔助材料為原材料，制備了海泡石-活性炭顆粒，并通過實驗對所制調濕顆粒的調濕性能進行測試以確定各材料的合理用量。呂榮超等[15]將海泡石、硅藻土、沸石三種無機礦物材料分別和白水泥以不同比例的混合，制成多種板狀無機調濕材料并探究其調濕性能，以確定各材料的最佳配比。

上述學者對無機調濕材料合成工藝及其材料配比的研究表明：①制備無機調濕材料時，常用的無機礦物材料包括硅藻土、沸石、海泡石、高嶺土、蒙脫土，常用的輔助材料包括水泥、沙子、纖維等；②制備無機調濕材料的過程如下：首先對一種或多種無機礦物調濕原材料進行細度處理、煅燒處理、酸處理等，之后將其和水泥、沙子等建筑材料混合制成具備調濕功能的調濕砂漿、調濕板材等，最后對所制調濕材料的調濕性能進行實驗探究，以確定高性能調濕材料的最佳制備工藝和最佳材料配比。

（2）有機調濕材料的合成

有機調濕材料常由具有三維交聯網狀結構的超強吸水性樹脂如淀粉、聚丙烯酸、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、丙烯腈等構成，相比于無機調濕材料，有機調濕材料的主要特點是濕容量大。近年來，為了開發高濕容量調濕材料，有關有機調濕材料的研究越來越多。例如，楊海亮等[16]以聚丙烯酸鈉、丙烯酰胺、過硫酸鉀、氯化鋁等為原料，采用二次致孔法制備了多孔樹脂，并通過實驗探究了氯化鋁的用量對多孔樹脂調濕性能的影響，以確定氯化鋁的合理用量。曹嘉洌等[17]以殼聚糖、丙烯酸、過硫酸鉀、碳酸鉀、乙酸鉀、無水硫酸鈉為原料制備了殼聚糖基調濕材料，并通過實驗探究了制備殼聚糖基調濕材料時各材料的最佳用量范圍。劉川文等[18]以聚乙烯醇、順丁烯二酸酐、甲苯、丙酮等為原料制備了吸附性樹脂，并通過實驗探究了其調濕性能。Zhang 等[19]以丙烯酸酯和其他材料為原材料，制備了無皂乳液，并探究了材料的配比對乳液性能的影響。

（3）復合調濕材料的合成

由表1總結可知，無機調濕材料具有吸放濕速度快、濕容量小的特點，而有機調濕材料具有濕容量大、放濕速度慢的特點，可以發現單一調濕材料難以同時滿足高濕容量、吸放濕速度快的要求。針對這一問題，近年來，越來越多的學者將不同類型的調濕材料進行復合，以制備具有濕容量大、吸放濕速度快的多功能復合調濕材料。例如，姜洪義等[20]以丙烯酸、丙烯酰胺、沸石、高嶺土為原料制備了濕容量大、吸放濕速度快的復合調濕材料。黃季宜等[21]以高分子樹脂和無機材料為原材料制備了復合調濕劑，其調濕時間大大減少。Park 等[22]以生物炭、沸石、水泥、沙子為原料制備了生物炭復合調濕材料。王穎娟等[23]以木質纖維、膨脹珍珠巖、海泡石、可再生分散性乳膠粉、聚丙烯纖維、水泥為原材料，配制了兼具調濕保溫功能多功能砂漿。劉永超等[24]以海泡石粉、木質纖維、膨脹珍珠巖和水泥為原料，制成兼具保溫調濕功能的復合砂漿。Chen 等[25]以甲基三乙氧基硅烷為相變原料，以海泡石和沸石為吸濕材料，制備了一種新型相變調溫調濕材料。He 等[26]以石膏、沸石、膨脹蛭石和貝殼粉為基質，將相變微膠囊以不同的質量和各種基質混合，制備出一系列具有獨特基質的復合相變調濕材料。張浩等[27]對相變材料和調濕材料進行復合，制備相變調濕復合材料。Ren 等[28]以鈦酸四丁酯溶液、無水乙醇溶液、硝酸銀溶液、硝酸溶液、甲醛溶液為原材料，合成了負載銀摻雜二氧化鈦的竹炭顆粒，之后將水泥、硅藻土和竹炭顆粒以不同的比例混合，制備了兼具吸濕和除甲醛性能的多功能水泥基砂漿。

綜上所述，當前學者對復合調濕材料的研究主要集中于兩方面：①將無機調濕材料和有機調濕材料復合或將多種無機調濕材料復合以制備濕容量大、吸放濕速度快的復合調濕材料；②將功能不同的無機材料或有機材料和調濕材料復合，以制備多功能調濕材料，如將相變材料和調濕材料復合以制備調溫調濕材料、將保溫材料和調濕材料進行復合以制備保溫調濕材料。

1.2.3 總結

調濕材料研究領域，調濕材料的合成是國內外學者關注較多的重要研究點。當前國內外學者合成的調濕材料主要為三類，分別是無機調濕材料、有機調濕材料以及復合調濕材料。無機調濕材料的研究集中于確定高性能無機調濕材料的最佳制備工藝和最佳材料配比，有機調濕材料的研究集中于確定高濕容量有機調濕材料的最佳材料配比，復合調濕材料的研究集中于制備濕容量大、吸放濕速度快同時兼具多功能的復合調濕材料。

1.3 調濕材料調濕性能的評價

當前主要采用材料吸放濕量的大小和吸放濕速度對調濕材料的調濕性能進行評價，前者反應材料的吸放濕能力，后者反應材料響應濕度變化的快慢[29]。在此基礎上，先后有多種評價指標被不同的學者提出，如表2所示。

表2 現有調濕材料的評價指標Table 2 Evaluation indicators of existing humidifying materials

牧福美他等[30]在僅考慮濕傳遞的基礎上提出了采用水蒸氣擴散系數D和最大平衡含濕量Umax作為調濕材料調濕性能的評價指標。池田哲朗等[31]考慮了溫度對傳濕的影響，對處于靜態熱平衡的調濕材料，提出了使用最大平衡含濕量以及平衡含濕量對溫度和濕度的變化率作為調濕材料調濕性能的評價指標。小野公平[32]、大釜敏正[33]、冉茂宇[29]等在實驗的基礎上，對動態過程中調濕材料調濕性能的評價指標進行了研究，并分別提出了不同的觀點。小野公平等[32]提出把密閉空間中溫度波動引起的材料單位表面積的吸放濕量F 作為調濕材料調濕性能的評價指標，但是實驗發現F 與溫度波動的幅度和周期有關，故而F 不是材料的特有屬性。在小野公平實驗的基礎上，大釜敏正等[33]發現封閉空間中絕對濕度的對數和平衡溫度有近似線性關系，進一步提出采用B 指標來衡量材料的調濕能力。冉茂宇等[29]從熱力學兩相平衡的角度出發，對B 指標進行了理論驗證，指出B 指標反映了材料與水分的結合能力，其值取決于結合能的大?。浑S后通過引入波動溫度，在B 指標的基礎上提出了采用BT指標來評價調濕材料的調濕性能。BT 指標是基于所調節的目標溫度和波動溫度而得到的，較B 值更為合理準確。Rode 等[34]從調濕材料的吸放濕對周圍環境的影響入手，提出了濕緩沖值（MBV）的概念并給出了其計算關聯式。謝昊巖等[35]通過分析指出濕傳遞只能在材料的孔內進行，材料的固相基體無法進行濕傳遞，在此基礎上對濕緩沖值（MBV）的關聯式進行了修正，修正結果顯示所有材料濕緩沖值的相對誤差有了明顯的減小。石誠楠等[36]以現有調濕材料評價標準及相關模型為基礎，在濕緩沖理論的背景下考慮了實際應用因素（如室內的換氣次數、調濕材料面積與房間體積比以及室內濕源等），提出了實際應用當中調濕材料濕緩沖性能的量化評價指標MBEa和MBEd，其中MBEa表示吸濕效果指標，MBEd表示放濕效果指標，且MBEa和MBEd的數值越大，則表明使用調濕材料后室內濕度的變化值越小。

總結上述文獻，調濕材料調濕性能的評價指標也是國內外學者關注較多的研究點之一。早期首先被提出的是沒有考慮溫度影響的靜態評價指標，接著在密閉空間實驗的基礎上，研究者們給出了考慮溫度時的靜態評價指標，最后結合實際應用效果提出了新的動態評價指標，即濕緩沖值（MBV）這一評價指標，同時MBV 評價指標也是當前應用最廣的評價指標。

1.4 調濕材料應用效果研究

為了探究調濕材料的實際應用效果，許多學者對應用調濕材料的房間進行了仿真研究，以確定調濕材料對室內熱濕環境及供冷供熱能耗的影響，常用的研究方法有數值計算和軟件模擬。采用數值計算時，常用的數值模型有有效濕滲透厚度模型、空間濕容模型和體積平均模型；采用軟件模擬時，常用的模擬軟件有TRNSYS、Energyplus、Comsol、WUFI 等。

1.4.1 基于數值計算的調濕材料應用效果研究

目前，有許多學者自建模型采用數值計算研究了調濕材料的實際應用效果及其對供冷、供熱能耗的影響。例如，Osanyintola 等[37]建立了熱濕傳遞的體積平均模型，并探究了房間僅有通風的情況下，應用調濕材料對供冷、供熱能耗的影響，研究表明與不應用調濕材料的工況相比，應用調濕材料后室內冬季供熱能耗降低高達5%，夏季供冷能耗降低高達30%。鄭佳宜等[6]采用有效濕滲透厚度模型計算了室內周期性濕負荷作用下，調濕材料對封閉空間和自然通風空間的濕度調節能力，結果表明調濕材料可以將室內相對濕度控制在50%左右。Qin 等[38]對恒溫通風空間建立了室內濕平衡模型，探究了調濕材料在不同氣候區的濕度控制能力，模擬結果表明調濕材料只要能適當再生，就能有效抑制室內濕度的波動，并在大多數氣候條件下保持室內相對濕度在理想范圍內。

1.4.2 基于軟件模擬的調濕材料應用效果研究

除自建模型進行數值計算之外，亦有諸多學者采用商業軟件對調濕材料的實際應用效果進行了探究。Park 等[22]將生物炭調濕材料應用于裝有空調系統的房間后，采用WUFI 軟件對調濕材料的應用效果進行模擬研究，模擬結果表明與普通墻體材料相比，含生物炭調濕材料的墻體其含水量較低，室內的除濕/加濕量降低，有節能的潛力。劉永超等[24]使用Comsol 軟件對調濕層使用不同材料的墻體的吸放濕過程進行模擬分析，結果表明調濕墻體的濕交換量明顯大于普通墻體。Fo?t 等[39]用不同量的硅藻土基相變調濕材料替代墻體內表面抹灰層中不同量的石膏，然后采用HMS 軟件作為仿真工具，同時以有限元軟件SIFEL 為主要求解器，對新型墻體的節能潛力進行研究，研究表明添加調濕相變材料后墻體的節能量在6%到12%之間，具體節能量與建筑所屬氣候區有關。Li 等[40]使用Energyplus軟件研究了室內木制家具的濕容性對室內濕度的影響，結果表明室內家具的濕容性對室內相對濕度的影響只有2%左右，但家具的蓄熱能力，卻增加了10%左右的顯熱負荷。Yu 等[41]使用Energyplus軟件模擬研究了調濕材料對建筑能耗的影響，結果表明調濕材料的使用可使空調能耗降低12%左右。Fraine 等[42]使用Comsol 軟件研究不同材料對墻體熱濕傳遞性能的影響，模擬結果表明，采用相變調濕材料替代EPS，可以節省約50%的能耗。Künzel等[43]采用WUFI 軟件模擬了有調濕材料和無調濕材料時室內的溫濕度，模擬結果表明兩房間的溫度幾乎沒有差別，但兩房間的濕度卻有很大的差別，說明了圍護結構的水分緩沖效應對室內的相對濕度有很大影響。

綜上所述，國內外研究者對調濕材料在建筑中的應用效果進行了較為廣泛的研究，調濕材料一般應用在墻體中做成調濕墻體。諸多數值計算和軟件模擬結果均表明使用調濕材料可以減緩室內相對濕度的波動，將相對濕度控制在合理的范圍內；同時使用調濕材料可以降低峰值冷負荷、減少建筑供熱、供冷能耗，供熱最大節能可達10%左右，供冷最大節能可達30%左右。但目前的研究主要集中于自然通風房間以及以送風空調為代表的常規空調房間，對于應用于輻射供冷房間的效果鮮少被關注。

1.5 總結

總結1.1～1.4 節可見國內外學者對調濕材料控濕技術已進行了大量的研究，主要集中于三方面，分別為：探究高性能調濕材料的合成工藝；尋求合理的評價方法對調濕材料的調濕性能進行評價；探究調濕材料對室內熱濕環境及房間供熱、供冷能耗的影響。大量的應用效果研究表明，無論是自然通風房間，還是具有對流式空調系統的房間，均可獲得較好的調濕效果。

2 調濕材料應用于輻射供冷防結露中的研究

2.1 現有防結露技術綜述

在提倡節能減排的今天，輻射供冷系統因其具有能耗低、舒適性好、噪聲低、占用室內空間小等優點而受到廣泛關注。然而，結露問題的存在阻礙了該系統的推廣應用。結露問題是目前制約該系統推廣應用的最大弊端，為解決這一問題，國內外學者對輻射供冷防結露技術進行了大量研究。該領域已有大量的相關文獻，現有防結露技術主要集中于四方面：（1）添加通風除濕系統及優化氣流組織形式。采用獨立新風系統承擔濕負荷是最常見的防結露措施[44-48]，在此基礎上，有研究者進一步提出優化氣流組織，如采用貼附射流的形式在冷表面形成干燥空氣層以降低冷輻射板結露風險[49-52]；（2）基于輻射供冷末端控制的防結露措施，如調節輻射末端的供水溫度、供水流量等[53-57]，以避免輻射末端表面溫度低于周圍空氣露點溫度；（3）基于輻射末端結構改造優化的防結露措施，如構造“疏導結露”的輻射末端裝置以排除冷凝水[58,59]，在金屬輻射板中加入空氣層使得板面溫度更加均勻以避免冷表面出現條狀低溫區[60]，以及將除濕裝置與輻射板集成的方式以降低冷板周圍空氣的濕度[61,62]；（4）基于輻射末端表面采用特殊材料處理的防結露措施，如輻射板表面采用疏水材料以抑制結露產生[63-65]、采用高紅外透射材料對輻射末端表面處理提高冷表面溫度但又不影響輻射末端的輻射換熱能力[66-68]。

2.2 調濕材料和輻射供冷的協同研究

綜合第1.4 節所述，可以發現，調濕材料是一種具有廣泛發展前景的被動式調濕技術。然而，在輻射供冷防結露領域，將調濕材料和輻射供冷系統結合進行的協同研究，鮮有文章報道。目前的文獻中僅有謝昊巖[35]和王穎娟[23]做了模擬研究。謝昊巖[35]等基于TRNSYS 軟件模擬研究了輻射換熱對吸濕材料的濕緩沖性能的影響，結果表明輻射換熱對調濕材料性能的影響很小。王穎娟[23]等采用CFD模擬研究了調濕保溫砂漿對裝有空氣載能輻射空調房間的熱濕環境的影響。結果表明圍護結構內表面采用調濕保溫砂漿的房間，其空調區的相對濕度比普通房間低10%左右，同時，調濕房間輻射板處空氣的最低溫度和房間的露點溫度差值更大，有更好的防結露特性。

上述研究結果表明，將調濕材料應用于輻射供冷房間后，調濕材料依然具有較好的吸放濕量和吸放濕速度，同時可將室內濕度維持在合理的范圍內。從模擬結果來看，效果良好，具有發展應用的前景。但目前對調濕材料和輻射供冷的協同研究缺乏大量的實驗研究，其應用效果有待進一步研究與論證。

3 結論與展望

結露問題是目前阻礙輻射供冷系統應用推廣的最大問題，目前主要通過添加通風除濕系統、對輻射末端進行供水溫度/流量控制調節、改進輻射板的結構及材料來解決輻射供冷系統的結露問題。然而，現有方法主要通過主動除濕的手段來解決輻射系統結露問題，這無疑增加了系統的能耗。

調濕材料是一種具有廣泛發展前景的被動式調濕技術。已有諸多研究者對調濕材料控濕技術進行了大量的研究，包括調濕材料的調濕機理、高性能調濕材料的合成方法、調濕材料調濕性能的準確評價以及調濕材料實際應用效果的實驗與模擬研究。該領域研究方法相對成熟，高性能調濕材料的制備已有諸多方法與工藝。大量的應用效果研究表明，無論是自然通風房間，還是具有對流式空調系統的房間，均可獲得較好的調濕效果。因此，可進一步借鑒研究思路，將其應用于輻射供冷領域。

通過調濕材料控制室內濕度，不僅可降低輻射供冷系統的結露風險，又可降低空調系統的除濕能耗。但是當前鮮有學者將輻射供冷系統和調濕材料結合起來進行協同研究，僅有的該方向的個例研究也限于模擬仿真，未來還需對該方向進一步展開理論和實驗研究，通過大量實驗探究房間應用調濕材料對輻射末端結露風險的影響，以及短期及長期的應用效果等，以進一步論證采用調濕材料解決輻射供冷系統結露問題的可行性。