地板辐射采暖对调湿材料性能影响的探究

谢昊岩 胡景波

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

室内湿度影响着日常生活生产的各个方面，如博物馆，画廊等场所以及纺织等生产工艺都对湿度有着很高的要求。目前应用比较广泛的控制湿度的手段为使用空调系统与通风系统等[1-3]。然而，这会消耗大量的能源，且很不方便。

在建筑围护结构内表面应用调湿材料是一种调控室内湿度的被动式手段[4]。调湿材料具有多孔特质，可以吸附水分子，也可以使水分子脱附。依靠自身的吸放湿能力，调湿材料可使室内湿度等级维持在一定范围内。

辐射采暖系统通过对流和辐射两种方式来消除室内热负荷，因此其围护结构内表面温度会有所升高，在内表面敷设调湿材料时其性能也会受其影响。国内外很多学者都在温度对调湿材料性能的影响上进行了研究[5-6]，例如 Rahim 等人 [7]和Dubois [8]等人都探究了不同温度下材料吸附等温线的变化，结果表明温度对其有显著的影响。但是，很少有研究关于辐射采暖系统中使用调湿材料调节室内湿度的可能性。因此本文对辐射采暖房间进行模拟，探究不同影响因素对调湿材料性能的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文基于美国劳伦斯伯克利国家实验室进行的辐射空调实验建立模型[9]。模拟房间尺寸为 9.32 m×6.32 m×4 .0 m（长×宽 ×高 ），房间内设定不同功率的热源模拟人员和设备散热，总内功率为 3200 W，其热源和部分传感器布置情况如图1 所示。围护结构传热系数分别为：东墙 0.15 W/(m2· K)，西墙 0.09 W/(m2· K)，南墙 0.55 W/(m2· K)，北墙 0.41 W/(m2· K)，玻璃窗 1.75 W/(m2· K)，屋顶 0.32 W/(m2· K)，地板 0.24 W/(m2· K)，本文使用TRNSYS 软件进行模拟，模型设置具体如图2 所示。

图1 热源布置示意图

图2 房间尺寸设置

1.2 数学模型

目前对于空间内热湿耦合传递主要使用的计算模型有三种，H AMT 模型[10]，E C 模型[11]以及 EMPD 模型[12]，表 1 给出了三种模型特点的对比。综合考虑精确度要求和计算时间限制，本文使用 EMPD 模型进行模拟计算，如式（1）～（3）。

表1 三种模型对比

空间湿平衡方程为：

式中：V为体积，m ；RV为分子常数；T为空间内空气平均温度，K ；Pv i为空间内空气水蒸气分压力，P a；Pv e为空间外部空气水蒸气分压力，P a；t为计算时刻；n为换3气次数；G vp为室内产湿量，kg/s；G buf为调湿材料吸放湿量，k g/s。

调湿材料吸放湿量的计算公式为：

式中：P vb和T b为调试材料内部水蒸气分压力和温度；β为表面传质系数；δ为材料水蒸气渗透系数，kg/(m·s · Pa)；P v,sat为饱和水蒸气分压力，Pa；db的计算公式为：

式中：a为调整系数，与实际情况有关；dp为材料有效渗透深度，m ；ξ为材料湿容量，k g/。

1.3 材料选择

Ge 等人将实际中常用的调湿材料根据其湿容和水蒸气渗透系数的大小[13]分为三类。A 类调湿材料的湿容很高，其范围在 0.50～0.85 kg/(m3· % RH)之间，但水蒸气渗透系数低（阻力系数在 100 左右）。B 类材料的渗透系数高（阻汽系数约为 10），但湿容低（小于0.1 kg/ (m·3%RH)）。C 类材料同时具有高的湿容和水蒸气渗透系数。本文选择了三种代表性的材料进行研究，具体的材料物性见表2，其中，松木属于 A 类，石膏属于B 类，木纤维板属于C 类。

表2 材料物性

1.4 工况设置

模拟时间段为12月21日6时至12月26日6时。每天从早上6:00 到晚上18:00，房间内3200 W 热源全部开启运行，房间温度设定为24 ℃。夜间从18:00至次日上午6:00，室内所有空调系统和热源均关闭，通过风机进行夜间机械通风，通风气流从室外直接引入室内。

2 模拟结果分析

本文首先探究了在地板辐射采暖房间中使用调湿材料的效果，对不使用调湿材料的房间和使用调湿材料的房间分别进行了模拟，并进行了对比分析。然后，对无地板辐射采暖但使用调湿材料的房间进行模拟计算，以探究辐射换热对调湿材料调湿效果的影响。最后，更换材料种类，探究不用种材料的调湿效果。模拟时间为五天，由结果可知，在第三天时室内空气含湿量波动范围最大，为方便起见，下文分析均以第三天为例。

2.1 松木模拟结果分析

松木的模拟结果如图3 所示，当不使用调湿材料时，室内空气含湿量变化范围为0.0074～0.0168 kg/kg，使用调湿材料之后，其波动范围变为 0.0082～0.0126 kg/kg，缩小了53.1%。当开启地板辐射采暖系统后，室内空气含湿量范围为0.0080～0.0121 kg/kg，相比无辐射情况范围进一步缩小了6.8%

图3 松木模拟结果

2.2 石膏模拟结果分析

石膏的模拟结果如图4 所示，当不使用调湿材料时，室内空气含湿量变化范围为0.0074～0.0168 kg/kg，使用调湿材料之后，其波动范围变为 0.0095～0.0133 kg/kg，缩小59.6%。当开启地板辐射采暖系统后，室内空气含湿量范围为 0.0097～0.0132 kg/kg，相比无辐射情况范围进一步缩小了7.9%。

图4 石膏模拟结果

2.3 木纤维板模拟结果分析

木纤维板的模拟结果如图5 所示，当不使用调湿材料时，室内空气含湿量变化范围为 0.0074～0.0168 kg/kg，使用调湿材料之后，其波动范围变为0.0092～0.0115 kg/kg，缩小了75.5%。当开启地板辐射采暖系统后，室内空气含湿量范围为 0.0092～0.0112 kg/kg，相比无辐射情况范围进一步缩小了13.0%。

图5 木纤维板模拟结果

从图3～5 可以看出，调湿材料具有很显著的调湿效果，但值得注意的是上述计算结果均为在理想情况下，室内表面全部敷设调湿材料的结果，而在实际应用中，材料往往会受到一定程度的破坏，而且各种环境因素，例如日照、敷设面积，通风情况等等均会影响材料效果，所以要达到模拟结果中的效果有些困难。在上述工况中，开启地板辐射采暖系统后，调湿材料调湿效果进一步增强，这是因为在材料的传质过程中，内部阻力大于表面阻力，因此表面湿传递占主导作用，而随着温度的升高，表面传质系数会增大，因此材料的调湿效果得到了增强。

3 结论

本文使用数值模拟的方法，针对地板辐射采暖对调湿材料性能的影响进行了研究。其结果表明：

1）不同种类的材料具有不同的吸湿特性，在本研究的工况中，木纤维板（C 类材料）的调湿效果最为显著，石膏（B 类材料）次之，然后是松木（A 类材料），因此在湿负荷特点类似的情况中，例如办公室建筑，可以尽可能考虑使用B 类或C 类材料。

2）地板辐射采暖系统由于能够提高围护结构内表面温度，所以可以略微提升调湿材料的调湿效果，不过总体来说，考虑到实际情况中材料效果会受到多方面因素的影响，在选择材料的时候基本可以忽略地板辐射采暖系统的影响。