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(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

多孔材料可用于調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)濕度，是近年新型被動式節(jié)能建材研究的熱點(diǎn)。室內(nèi)相對濕度往往隨濕負(fù)荷呈周期性波動，內(nèi)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(jī)制可以有效降低室內(nèi)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(yīng)用策略的重要理論基礎(chǔ)，探討真實(shí)氣候條件下多孔材料濕緩沖循環(huán)的節(jié)能效果成為當(dāng)前研究的重要內(nèi)容[2-4]。部分學(xué)者開展了一定的短期實(shí)驗(yàn)研究。黃翔等[5]通過搭建測試風(fēng)道模擬西安氣象條件，研究了高濕空間中多孔調(diào)濕板材單個濕緩沖循環(huán)周期(10 h)的吸濕效果，結(jié)果顯示相對濕度可降低約25%。吳宏偉[6]在重慶某實(shí)驗(yàn)樓3 層屋頂上搭建了全尺寸實(shí)驗(yàn)房，通過連續(xù)2 日實(shí)測發(fā)現(xiàn)，結(jié)合間歇式空調(diào)，硅藻土調(diào)濕材料可控制室內(nèi)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(xué)者選擇使用簡化計算和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行不同城市多孔材料長期調(diào)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(fù)荷估算，討論了凝膠調(diào)濕建材蓄濕調(diào)濕的可行性。Rode 和Grau[8]應(yīng)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(diào)濕效果，結(jié)果顯示室內(nèi)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(nèi)周期性濕負(fù)荷作用下，模擬了南京冬季典型氣候下墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)和未鋪設(shè)硅藻土調(diào)濕材料室內(nèi)空氣溫度、相對濕度和含濕量的變化規(guī)律。部分學(xué)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(jìn)行了估算。除了對多孔調(diào)濕材料，近年來有學(xué)者對兼具調(diào)熱調(diào)濕性能的復(fù)合相變調(diào)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(jī)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(jī)制進(jìn)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(fù)合相變調(diào)濕材料的全年周期濕緩沖循環(huán)及節(jié)能效果進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)建筑算例[15]。設(shè)定房間為辦公空間，工作時段為09：00～17：00，期間室內(nèi)濕源總產(chǎn)濕量為500 g/h；其余時段室內(nèi)無產(chǎn)濕；房間換氣次數(shù)為0.5次/h。設(shè)置理想工況1：室內(nèi)外氣溫恒定在20 ℃，不考慮各種熱擾影響；室內(nèi)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(shè)置理想工況2：室外相對濕度恒定在80%(高濕)，其他設(shè)置均與工況1 相同。2 種工況下，依次設(shè)置參照組和調(diào)濕組：參照組不考慮內(nèi)壁面濕緩沖效應(yīng)；調(diào)濕組內(nèi)壁面應(yīng)用加氣混凝土調(diào)濕材料，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[8]，壁面?zhèn)鳚褡枇ο禂?shù)為5×107 m2sPa/kg。利用文獻(xiàn)[15]中解析法求解得到穩(wěn)定后的室內(nèi)逐時相對濕度，如圖1 所示。調(diào)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(yīng)。

圖1 日周期內(nèi)2 種濕緩沖循環(huán)機(jī)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(nèi)相對濕度上升，非工作時段放濕減弱室內(nèi)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(jī)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(diào)濕負(fù)荷。相比而言，圖1(b)所示濕緩沖循環(huán)反而有增加空調(diào)濕負(fù)荷的風(fēng)險。二者的差異性應(yīng)納入多孔調(diào)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(diào)房間室內(nèi)濕度波動的峰谷關(guān)系

考慮空調(diào)房間的典型情況，即制冷和采暖工況：室內(nèi)設(shè)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(nèi)人員和設(shè)備等多種濕源影響，相對濕度達(dá)到最大值65%；非工作時段，在室內(nèi)濕源影響消除后，室內(nèi)外通風(fēng)最直接影響房間濕度波動。因此，當(dāng)室內(nèi)外濕度滿足式(1)時，室內(nèi)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(shè)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(shè)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(shí)氣候長周期內(nèi)2 種模式發(fā)生幾率的大小關(guān)系，即可對多孔材料的濕緩沖節(jié)能效果進(jìn)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(fēng)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(diǎn)關(guān)注非工作時段濕度情況，結(jié)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(shè)置及調(diào)濕材料參數(shù)

參照BESETEST Case 600 定義算例建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料參數(shù)設(shè)置見表2。設(shè)定房間為辦公空間，工作時段為09：00～17：00 時，期間室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造(從外至內(nèi))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(shè)置 1 個參照組(CaseA1)和2 個實(shí)驗(yàn)組(CaseA2 和CaseA3)。CaseA1 不考慮內(nèi)壁面濕緩沖效應(yīng)；CaseA2 和CaseA3 各設(shè)置63.6 m2和159.6 m2火山石基復(fù)合相變調(diào)濕材料[14]，其參數(shù)見表3。

表3 火山石基復(fù)合相變調(diào)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(nèi)熱濕環(huán)境和能耗模擬。

4 結(jié)果分析

各組算例1 月1～7 日室內(nèi)相對濕度模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 算例1 月1～7 日室內(nèi)相對濕度模擬結(jié)果

由圖3 可見，相較于參照組，各實(shí)驗(yàn)組室內(nèi)濕度波幅明顯減小。北京實(shí)驗(yàn)組調(diào)濕材料日周期內(nèi)的吸放濕過程均為晝吸夜放濕緩沖循環(huán)，全時段內(nèi)濕度均未達(dá)到除濕點(diǎn)。類似的，巴黎和亞特蘭大組實(shí)驗(yàn)組算例濕緩沖循環(huán)也以晝吸夜放為主，應(yīng)用調(diào)濕材料面積更大的CaseA3 室內(nèi)濕度達(dá)到除濕點(diǎn)時長有顯著縮短。廣州組算例在本周內(nèi)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(shí)驗(yàn)組濕緩沖模式變換為夜吸晝放模式。工作時段內(nèi)，大部分情況下室內(nèi)相對濕度控制在除濕點(diǎn)。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(nèi)相對濕度模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 算例8 月1～7 日室內(nèi)相對濕度模擬結(jié)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組算例的濕負(fù)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(fù)荷占比分別為42.8%、74.7%、59.2%、61.4%。

實(shí)驗(yàn)組CaseA3 相比于各自參照組的節(jié)能率見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)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(fù)合相變調(diào)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(diào)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(nèi)熱負(fù)荷的風(fēng)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(dá)到30%以上，體現(xiàn)出濕緩沖效應(yīng)較好的節(jié)能潛力。其中，巴黎算例潛熱節(jié)能率達(dá)到50%以上，節(jié)能效果最好。這驗(yàn)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(fù)荷的推論?？傮w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(fēng)險，對改善室內(nèi)空氣品質(zhì)有重要幫助。未來研究可以考慮從節(jié)能、熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)等多個維度進(jìn)行多孔調(diào)濕材料效益評價。

5 結(jié) 論

理想工況下辦公建筑空調(diào)房間應(yīng)用多孔調(diào)濕材料存在晝吸夜放和夜吸晝放2 種濕緩沖循環(huán)機(jī)制。前者可以有效降低空調(diào)濕負(fù)荷，達(dá)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(diào)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。