謝昊巖 胡景波

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

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

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應(yīng)用調(diào)濕材料是一種調(diào)控室內(nèi)濕度的被動式手段[4]。調(diào)濕材料具有多孔特質(zhì)，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(diào)濕材料可使室內(nèi)濕度等級維持在一定范圍內(nèi)。

輻射采暖系統(tǒng)通過對流和輻射兩種方式來消除室內(nèi)熱負(fù)荷，因此其圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度會有所升高，在內(nèi)表面敷設(shè)調(diào)濕材料時其性能也會受其影響。國內(nèi)外很多學(xué)者都在溫度對調(diào)濕材料性能的影響上進(jìn)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(jié)果表明溫度對其有顯著的影響。但是，很少有研究關(guān)于輻射采暖系統(tǒng)中使用調(diào)濕材料調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的可能性。因此本文對輻射采暖房間進(jìn)行模擬，探究不同影響因素對調(diào)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(jìn)行的輻射空調(diào)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(nèi)設(shè)定不同功率的熱源模擬人員和設(shè)備散熱，總內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)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(jìn)行模擬，模型設(shè)置具體如圖2 所示。

圖1 熱源布置示意圖

圖2 房間尺寸設(shè)置

1.2 數(shù)學(xué)模型

目前對于空間內(nèi)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(jìn)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(shù)；T為空間內(nèi)空氣平均溫度，K ；Pv i為空間內(nèi)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(shù)；G vp為室內(nèi)產(chǎn)濕量，kg/s；G buf為調(diào)濕材料吸放濕量，k g/s。

調(diào)濕材料吸放濕量的計算公式為：

式中：P vb和T b為調(diào)試材料內(nèi)部水蒸氣分壓力和溫度；β為表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)；δ為材料水蒸氣滲透系數(shù)，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(diào)整系數(shù)，與實際情況有關(guān)；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(diào)濕材料根據(jù)其濕容和水蒸氣滲透系數(shù)的大小[13]分為三類。A 類調(diào)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(shù)低（阻力系數(shù)在 100 左右）。B 類材料的滲透系數(shù)高（阻汽系數(shù)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(shù)。本文選擇了三種代表性的材料進(jìn)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(shè)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(nèi)3200 W 熱源全部開啟運行，房間溫度設(shè)定為24 ℃。夜間從18:00至次日上午6:00，室內(nèi)所有空調(diào)系統(tǒng)和熱源均關(guān)閉，通過風(fēng)機進(jìn)行夜間機械通風(fēng)，通風(fēng)氣流從室外直接引入室內(nèi)。

2 模擬結(jié)果分析

本文首先探究了在地板輻射采暖房間中使用調(diào)濕材料的效果，對不使用調(diào)濕材料的房間和使用調(diào)濕材料的房間分別進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了對比分析。然后，對無地板輻射采暖但使用調(diào)濕材料的房間進(jìn)行模擬計算，以探究輻射換熱對調(diào)濕材料調(diào)濕效果的影響。最后，更換材料種類，探究不用種材料的調(diào)濕效果。模擬時間為五天，由結(jié)果可知，在第三天時室內(nèi)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(jié)果分析

松木的模擬結(jié)果如圖3 所示，當(dāng)不使用調(diào)濕材料時，室內(nèi)空氣含濕量變化范圍為0.0074～0.0168 kg/kg，使用調(diào)濕材料之后，其波動范圍變?yōu)?0.0082～0.0126 kg/kg，縮小了53.1%。當(dāng)開啟地板輻射采暖系統(tǒng)后，室內(nèi)空氣含濕量范圍為0.0080～0.0121 kg/kg，相比無輻射情況范圍進(jìn)一步縮小了6.8%

圖3 松木模擬結(jié)果

2.2 石膏模擬結(jié)果分析

石膏的模擬結(jié)果如圖4 所示，當(dāng)不使用調(diào)濕材料時，室內(nèi)空氣含濕量變化范圍為0.0074～0.0168 kg/kg，使用調(diào)濕材料之后，其波動范圍變?yōu)?0.0095～0.0133 kg/kg，縮小59.6%。當(dāng)開啟地板輻射采暖系統(tǒng)后，室內(nèi)空氣含濕量范圍為 0.0097～0.0132 kg/kg，相比無輻射情況范圍進(jìn)一步縮小了7.9%。

圖4 石膏模擬結(jié)果

2.3 木纖維板模擬結(jié)果分析

木纖維板的模擬結(jié)果如圖5 所示，當(dāng)不使用調(diào)濕材料時，室內(nèi)空氣含濕量變化范圍為 0.0074～0.0168 kg/kg，使用調(diào)濕材料之后，其波動范圍變?yōu)?.0092～0.0115 kg/kg，縮小了75.5%。當(dāng)開啟地板輻射采暖系統(tǒng)后，室內(nèi)空氣含濕量范圍為 0.0092～0.0112 kg/kg，相比無輻射情況范圍進(jìn)一步縮小了13.0%。

圖5 木纖維板模擬結(jié)果

從圖3～5 可以看出，調(diào)濕材料具有很顯著的調(diào)濕效果，但值得注意的是上述計算結(jié)果均為在理想情況下，室內(nèi)表面全部敷設(shè)調(diào)濕材料的結(jié)果，而在實際應(yīng)用中，材料往往會受到一定程度的破壞，而且各種環(huán)境因素，例如日照、敷設(shè)面積，通風(fēng)情況等等均會影響材料效果，所以要達(dá)到模擬結(jié)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(tǒng)后，調(diào)濕材料調(diào)濕效果進(jìn)一步增強，這是因為在材料的傳質(zhì)過程中，內(nèi)部阻力大于表面阻力，因此表面濕傳遞占主導(dǎo)作用，而隨著溫度的升高，表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)會增大，因此材料的調(diào)濕效果得到了增強。

3 結(jié)論

本文使用數(shù)值模擬的方法，針對地板輻射采暖對調(diào)濕材料性能的影響進(jìn)行了研究。其結(jié)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(diào)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(fù)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(tǒng)由于能夠提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，所以可以略微提升調(diào)濕材料的調(diào)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(tǒng)的影響。