Study and application on hygroscopic board

传统的空调除湿方式低温冷凝除湿须制备低温冷冻水，能耗较大。调湿板是利用调湿材料对水蒸气的自动吸放作用调节室内湿度，调湿过程无能耗。日本已开发出多种调湿板产品，并应用于博物馆、美术馆等建筑中，所使用的调湿材料主要是沸石。以高分子凝胶为调湿材料的调湿板产品尚未报道。 1 调湿材料Gel的特性 　　 Gel是由高分子树脂吸收了盐溶液后形成的凝胶，其调湿原理是利用凝胶中的盐溶液对水蒸气的吸收与释放作用。常用的盐溶液为Cacl2。图1[1]是几种常用调湿材料的在不同相对湿度下的平衡含水率曲线，实验环境温度为25℃。可以看出同样的相对湿度变化范围，Gel的含水率变化要远大于沸石及硅胶，是一种较理想的调湿材料。 　　 　　　　 　　　　　　 　　 　　 　　　　 　　 　　 　　　　　　　　　　　图1 不同材料的平衡含水率曲线 　　　　　　　　　　　Fig.1 The equilibrium moisture contain of different materials 2 数值计算 　　 金招芬等人曾用CaCl2凝胶掺混到水泥、珍珠岩等材料中，制成板状作耐火材料，并测定了其水蒸气扩散系数Deff[2]。图2[3]是该耐火材料在不同相对湿度下的平衡含水率曲线，实验环境湿度为25℃。从图2可以拟合出相对湿度ψ与板材含水量水率C的关系式： 　　　　　　　　 C=1.4474Φ-0.0166　　　　　　 （1） 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 调湿板平衡含水率曲线 　　　　　　　　　　　　　Fig.2 The equilibrium mositure contain of the hygroscopic board 　　 由于一定浓度的盐溶液，在不同温度下均对应相同的相对湿度，因此当假设调湿板中的盐溶液仍保持该特性时（1）式适用于其它温度范围。在温度t=0～40℃，相对湿度ψ=30%～85%范围内，相对湿度ψ与绝对含湿量X的关系为 　　　　　　　　 Φ=230Xe0.062t;[4] 　　　　　　(2) 　　 联立（1）、（2）便可得出绝对含湿量X与含水率C的关系式： 　　 　　　　　　X=2.8908×10-3e0.062tC 4.7987×10-5e0.062t　　　　　　　 (3) 　　 　　3 数学模型 　　 图3是一维板壁质扩散示意图，x=0处与房间空气接触的表面，x=x0处是绝湿表面。 　　 基本方程：板壁一维非稳态质扩散方程： 　　 　　　　　　　　 　　　　　　（4） 　　 　　 　 　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　　　 　　　　　　图3 一维板壁质扩散示意图 　　　 　　　　　　　 　　Fig.3 The schematic diagram o the problem 　　 房间湿平衡方程： 　　　 　　　 　 　　　　　　（5） 　　 边界条件 　　　 　　　　 　　　 　　　　　　 　　　　　　（6） 　　 其中对流传质系数hin由（7）式算出 　　　 　　　　 　　 　　　　 　（7） 　　 初始条件： 　　 τ=0，0≤x≤x0,C=C0 　　 τ=0,Xr=Xr0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (8) 4 计算条件 　　 地点：北京；时间：代表年，气象数据由供热空调能耗分析用逐时气象数据生成系统Medpha得到；其它计算条件如表1所示。 　　表1 计算条件 　　Table 1 Parameters for computation 房间基本情况 房间体积 5×5×3m3 门 2×1m2 窗 2×2m2 调湿板面积 6.2m2 室内温度设置 4、5月 24℃ 6、7、8月 28℃ 9、10月 24℃ 11、12、1、2、3月 20℃ 室内产湿（人员产湿） 人数3 产湿时间 8：00～18：00（周一～五） 产湿量（极轻劳动） 20℃：69g/h, 24℃:96g/h, 28℃:123g/h[4] 新风量 8：00～18：00（周一～五）30m3/h.人 其它时间0 调湿板相关参数 板厚x020mm Deff3.17×10-10m2/s[2] hin0.001278m/s 　　 * 调湿板面积为除去门窗、地板以外的内壁面积的80%。 　　** 该值是利用流体掠过平壁的对流传质公式（7），并设风速u=0.3m/s,定性尺寸1=2.5,在常温时查得空气物性参数算 得。 　　 联立方程（4）、（5），利用隐式有限差分法求解，可得全年各时刻壁体各部位的含水率及房间绝对含湿量；再根据相对湿度与绝对含湿量的关系式（2），可得各时刻室内相对湿度。

5 计算结果

　　表2 给出了有无调湿板两种情况下的室内相对湿度全年最大、最小值及人体舒适区（RH=30%～70%[6]出现的时间占整个工作时间（周一～五8：00～18：00）的百分比。图4给出了室内每天工作时间段内的平均相对湿度全年变化。

　　表2　计算结果
　　Table 2 Results of the computation

	全年最大值	全年最小值	RH=30%～70%的百分比
有调湿板	ψ=78.5%	ψ=32.2%	95.7%
无调湿板	ψ=100%	ψ=13.4%	47.9% [1]

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 室内相对湿度全年变化（日平均）
　　　　　　　　　　　　Fig.4 The indoor relative humidity change of one year (daily average)
　　 从表2及图4可以看出：
　　1) 使用调湿板后室内相对湿度在32%到78%之间波动，无调湿板时室内相对湿度在13%到100%之间波动，调湿板能减小室内相对湿度的日波动及年波动；
　　2) 有调湿板时，95%以上工作时间段内的室内相对湿度在人体舒适区内，远远超过没有调湿板的47.9%。

6　结论

　　 对于北京地区的办公型建筑，若在室内四周墙壁及天花板使用20mm厚的调湿板，在没有其它调湿手段的情况下，室内相对湿度绝大部分时间在舒适区内，冬季加湿效果尤其显著，夏季室内相对湿度绝大部分时间在70%以下。由此可见在北京地区的气候条件下，调湿板的应用可完全或部分取代空调加、除湿系统。

　　变量说明:

ρdry-调湿板中干材料的密度（kg dry solid/m3）; 　　Deff-水蒸气在空气中的扩散系数（m2/s） 　　Dair -水蒸气在空气中的扩散系数（m2/s） 　　C-板壁含水率（kg/kg dry solid） 　　X0-室外空气绝对含湿量（kg/kg dry air） 　　Xr-室内空气绝对含湿量（kg/kg dry air） 　　hin-对流传质系数（m/s） 　　ρair-空气密度（kg/m3）

调湿板定性尺寸（m） 　　υ-运动粘度（m2/s） 　　q-产湿量（kg/s） 　　u-风速（m/s）　　　　 Ue-换气量（m2/s） 　　Ur-房间体积（m3） 　　τ-时间（s） 　　X-位置（m） 　　　　　x0-板厚（mm） 　　Sc-施密特数　　　　　 t-温度（℃） 　　ψ-相对湿度　　　　　 S-调湿板面积（m2）

参考文献：

　　1) Zhao-Fen Jin, et al. Thermal and Water storage Characteristics of Super-Absorbent Polymer Gel which Absorbed Aqueous Solution of Calcium Chloride [J]. Thermophysics and Heat Transfer Conference, ASME 1998, Volume 4,3-10.
　　2) Y ASAKO, K MAEDA, A JIN and Y YAMAGE-CHI, Effective Moisture Diffusivity of Super Absorbent Polymer Gel and Pearlite-Mortar with Gel, Asia-Oce-ania Association for Science and Technology, Singapore, 1998,359-370.
　　3) Zhao-fen JIN, Yutaka ASKAO, et al. Fire resistance test for protection materials with high water content. International Journal of Heat and Mass Transfer 43,2000.
　　4) 荒井良延，等.吸放湿材の评价と利用，日本建筑学会环境工学委员会热环境小委会第26回会议文集.1996.73-80.
　　5) 赵荣义，范存养，薛殿华，钱以明，空气调节[M]。北京：中国建筑工业出版社，1994
　　6) 麦金太尔著：龙惟定等译.室内气候[M].上海：上海科学技术出版社，1988.