多孔材料湿缓冲循环的节能效果

张明杰，陈智

(1.南京大学 建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093；2.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

多孔材料可用于调节建筑室内湿度，是近年新型被动式节能建材研究的热点。室内相对湿度往往随湿负荷呈周期性波动，内壁面多孔材料在湿度高峰期吸湿和低谷期放湿，这种吸放湿循环机制可以有效降低室内湿度波幅，称作湿缓冲循环[1]。

随着研究的不断深入，作为材料在不同气候区推广应用策略的重要理论基础，探讨真实气候条件下多孔材料湿缓冲循环的节能效果成为当前研究的重要内容[2-4]。部分学者开展了一定的短期实验研究。黄翔等[5]通过搭建测试风道模拟西安气象条件，研究了高湿空间中多孔调湿板材单个湿缓冲循环周期(10 h)的吸湿效果，结果显示相对湿度可降低约25%。吴宏伟[6]在重庆某实验楼3 层屋顶上搭建了全尺寸实验房，通过连续2 日实测发现，结合间歇式空调，硅藻土调湿材料可控制室内相对湿度在50%以下。随着传湿理论和数值模型的不断完善，部分学者选择使用简化计算和数值模拟等方法进行不同城市多孔材料长期调湿节能效果的研究。黄季宜和金招芬[7]基于北京地区办公建筑全年湿负荷估算，讨论了凝胶调湿建材蓄湿调湿的可行性。Rode 和Grau[8]应用热湿耦合模型模拟分析了加气混凝土在丹麦哥本哈根气象条件下的全年调湿效果，结果显示室内相对湿度相比于参照组更波幅较小。郑佳宜[9]采用有效湿渗透厚度模型，在室外气候条件及室内周期性湿负荷作用下，模拟了南京冬季典型气候下墙体内侧铺设和未铺设硅藻土调湿材料室内空气温度、相对湿度和含湿量的变化规律。部分学者[10-11]使用湿缓冲值的方法对多孔材料在南京等气候区潜热节能效果进行了估算。除了对多孔调湿材料，近年来有学者对兼具调热调湿性能的复合相变调湿材料也开展了一系列研究[12-14]。

值得注意的是，以往研究没有着重从房间尺度解析和对比不同湿缓冲循环机制的节能效果。本研究首先基于理想办公建筑工况对日周期湿缓冲循环机制进行解析。然后通过分析气湿度特征，比较不同气候条件下湿缓冲循环的分布趋势。最后利用热湿耦合-相变焓模型对火山石基复合相变调湿材料的全年周期湿缓冲循环及节能效果进行了模拟研究。

1 理想工况下的湿缓冲循环

选取BESTEST Case 600 作为标准建筑算例[15]。设定房间为办公空间，工作时段为09：00～17：00，期间室内湿源总产湿量为500 g/h；其余时段室内无产湿；房间换气次数为0.5次/h。设置理想工况1：室内外气温恒定在20 ℃，不考虑各种热扰影响；室内初始相对湿度为30%，工作时段控制相对湿度不超过65%；室外相对湿度恒定为30%(低湿)。设置理想工况2：室外相对湿度恒定在80%(高湿)，其他设置均与工况1 相同。2 种工况下，依次设置参照组和调湿组：参照组不考虑内壁面湿缓冲效应；调湿组内壁面应用加气混凝土调湿材料，详细参数见文献[8]，壁面传湿阻力系数为5×107 m2sPa/kg。利用文献[15]中解析法求解得到稳定后的室内逐时相对湿度，如图1 所示。调湿组与参照组的湿度差即体现出多孔材料的湿缓冲效应。

图1 日周期内2 种湿缓冲循环机制

图1(a)为理想工况1 时的湿缓冲循环：工作时段材料通过吸湿缓冲室内相对湿度上升，非工作时段放湿减弱室内湿度下降。而图1(b)湿缓冲循环则刚好相反，即在工作时段放湿，非工作时段吸湿。2 种湿缓冲日循环机制均起到了减小相对湿度波动的效果。但分时段来看，图1(a)所示昼吸夜放的湿缓冲循环能够缩短工作时段除湿时长，降低空调湿负荷。相比而言，图1(b)所示湿缓冲循环反而有增加空调湿负荷的风险。二者的差异性应纳入多孔调湿材料节能效益评估的考虑。

2 典型城市湿度气候特征

2.1 空调房间室内湿度波动的峰谷关系

考虑空调房间的典型情况，即制冷和采暖工况：室内设计温度制冷季取18 ℃，采暖季取26 ℃；相对湿度均控制不超过65%[14]。工作时段，考虑室内人员和设备等多种湿源影响，相对湿度达到最大值65%；非工作时段，在室内湿源影响消除后，室内外通风最直接影响房间湿度波动。因此，当室内外湿度满足式(1)时，室内湿度将下降，即可为昼吸夜放的湿缓冲循环提供条件：

式中：φset——设计相对湿度限值；

φe——室外相对湿度。

为了排除温度的干扰，将式(1)中相对湿度替换为空气含湿量用式(2)来表征：

式中：Wset——设计空气含湿量，kg/kg；

We——室外空气相对湿度，kg/kg。

制冷工况下，Wset，c=0.0139 kg/kg，采暖工况下，Wset，h=0.0096 kg/kg。

相反，如果非工作时段室外湿度较高，则湿缓冲循环呈现出夜吸昼放的模式。通过分析真实气候长周期内2 种模式发生几率的大小关系，即可对多孔材料的湿缓冲节能效果进行初步判断。

2.2 湿度气候特征统计分析

选取北京(大陆性季风气候)、广州(亚热带湿润气候)、巴黎(温带气候)和亚特兰大(亚热带半湿润气候)4 个城市进行湿度气候特征分析。图2 以北京和广州为例展示了全年湿度逐时波动的情况。北京湿度波动的季节性明显：1～4 月、11～12月室外空气湿度较低，含湿量小于 Wset，h；5～10 月室外空气湿度明显升高，7～8 月含湿量多数时段高于Wset，c。相比之下，广州地区的全年湿度明显偏高，1～4 月、11～12 月室外空气平均含湿量接近 Wset，h；5～10 月平均含湿量远高于 Wset，c。

图2 北京、广州全年湿度波动

按照办公建筑工况，对4 个城市全年工作时段和非工作时段的室外空气含湿量平均值进行统计分析，如表1 所示。

表1 典型城市室外空气平均含湿量

由表1 可以看出，工作时段和非工作时段室外空气含湿量平均值相差不大。重点关注非工作时段湿度情况，结合式(2)可以发现，除广州外，北京、巴黎和亚特兰大地区5～10 月室外含湿量平均值均低于0.0139 kg/kg，其中巴黎最小；1～4月和11～12 月室外含湿量平均值均低于0.0096 kg/kg，北京最小。由此可推断，夏季昼吸夜放的湿缓冲循环在巴黎出现几率最高，冬季在北京出现几率最高。而夜吸昼放的湿缓冲循环模式在广州地区出现的几率最高。

3 算例设置及调湿材料参数

参照BESETEST Case 600 定义算例建筑，围护结构构造及材料参数设置见表2。设定房间为办公空间，工作时段为09：00～17：00 时，期间室内温度控制在 18～26 ℃，相对湿度均控制不超过65%，房间热源密度为15 W/m2，湿源总产湿率为6 g(/m3·h)，换气次数为0.5 次/h。非工作时段，房间无产热产湿，提高换气次数至2 次/h。

表2 围护结构构造(从外至内)及材料参数

在北京、广州、巴黎和亚特兰大4 个城市气候条件下，各设置 1 个参照组(CaseA1)和2 个实验组(CaseA2 和CaseA3)。CaseA1 不考虑内壁面湿缓冲效应；CaseA2 和CaseA3 各设置63.6 m2和159.6 m2火山石基复合相变调湿材料[14]，其参数见表3。

表3 火山石基复合相变调湿材料参数

为了分析全年周期动态湿缓冲循环，利用EnergyPlus 软件和热湿耦合-相变焓模型[12]完成各组算例室内热湿环境和能耗模拟。

4 结果分析

各组算例1 月1～7 日室内相对湿度模拟结果如图3 所示。

图3 算例1 月1～7 日室内相对湿度模拟结果

由图3 可见，相较于参照组，各实验组室内湿度波幅明显减小。北京实验组调湿材料日周期内的吸放湿过程均为昼吸夜放湿缓冲循环，全时段内湿度均未达到除湿点。类似的，巴黎和亚特兰大组实验组算例湿缓冲循环也以昼吸夜放为主，应用调湿材料面积更大的CaseA3 室内湿度达到除湿点时长有显著缩短。广州组算例在本周内出现2 种湿缓冲循环模式：1～4 日为昼吸夜放模式；5～7 日，由于室外湿度偏高的影响，实验组湿缓冲模式变换为夜吸昼放模式。工作时段内，大部分情况下室内相对湿度控制在除湿点。这与前文分析得知的广州高湿气候特征是一致的。

各组算例8 月1～7 日室内相对湿度模拟结果如图4 所示。

图4 算例8 月1～7 日室内相对湿度模拟结果

由图4 可见，与冬季情况相比，北京、广州和亚特兰大组算例主要呈现为夜吸昼放湿缓冲模式；6～7 日，北京室外湿度呈现低位波动，受此影响实验组湿缓冲模式变换为昼吸夜放。相比之下，冬夏季节巴黎组算例实验组均呈现出以昼吸夜放湿缓冲模式为主的趋势，可以推断，巴黎实验组算例的湿负荷可有效降低。

计算得到各组算例参照组单位建筑面积能耗从大到小依次是：广州 72.92 kWh/(m2·a)、北京 57.43 kWh/(m2·a)、亚特兰大 49.06 kWh/(m2·a)、巴黎 43.42 kWh/(m2·a)，显热负荷占比分别为42.8%、74.7%、59.2%、61.4%。

实验组CaseA3 相比于各自参照组的节能率见表4。

表4 实验组CaseA3 算例节能率

由表4 可见，显热节能效果总体较小，一方面，主要是由于所用复合相变调湿材料中相变组分占比较低，且相变温度区间较小，仅制冷季能够发挥相变调热功能；另一方面，是由于工作时段材料吸湿过程伴随放热，有增加室内热负荷的风险。就潜热节能而言，除广州外，其他3 个城市CaseA3 潜热节能率均达到30%以上，体现出湿缓冲效应较好的节能潜力。其中，巴黎算例潜热节能率达到50%以上，节能效果最好。这验证了图3 和图4 中巴黎冬夏季湿缓冲循环以昼吸夜放模式为主可有效降低湿负荷的推论。总体节能率排序依次为巴黎＞亚特兰大＞北京＞广州。

需要说明的是，夜吸昼放湿缓冲循环缩短高湿时段的效果，能有效提升舒适度，并减小高湿造成霉变、微生物大量繁殖等风险，对改善室内空气品质有重要帮助。未来研究可以考虑从节能、热舒适和室内空气品质等多个维度进行多孔调湿材料效益评价。

5 结 论

理想工况下办公建筑空调房间应用多孔调湿材料存在昼吸夜放和夜吸昼放2 种湿缓冲循环机制。前者可以有效降低空调湿负荷，达到被动式节能的效果。通过对比4 个城市的湿度气候特征推断昼吸夜放湿缓冲循环夏季在巴黎发生频次最高，冬季在北京发生频次最高，而夜吸昼放湿缓冲循环全年在广州发生频次最高。全年周期湿缓冲模拟发现，巴黎冬夏季均以昼吸夜放湿缓冲循环为主，北京、亚特兰大和广州湿缓冲循环模式呈现出明显的冬夏差异。对比参照组，调湿组节能率最高的是巴黎算例，其次是亚特兰大、北京和广州。