夏热冬冷地区基于调温调湿围护结构的湿环境控制与节能方法研究

Up to date, Only heat transfer coefficients in the scenario of absolute dry environment have been taken into account in thermal engineering design of building envelopes for hot summer and cold winter zones, viz. factors that increase the actual heat transfer of the enclosure by high moisture content and severe climate change have so far not been considered, leading to underestimated heat transfer during extreme cold/hot seasons, accompanied by increased energy consumption, as well as high-humidity-induced mold on wall surface. In the proposed project, on the basis of previous studies, paraffin microcapsules with low melting point are proposed to integrate with porous building materials in layered or fused form to construct enclosure elements with improved temperature and humidity controlling capabilities. Moreover, the thermal engineering design of such structures will be further optimized in combination with influence of precipitation and solar radiation in hot summer and cold winter zones. In particular, based on the aforementioned experimental results, dynamic correlation between moisture content/temperature variation and precipitation/solar radiation will be established at the outer skin of enclosure, whereas applications of temperature and moisture controlling materials will be optimized in the thermal engineering designs for extreme seasons, which are expected to constitute a heat/mass-transfer-coupling model for building enclosure with adaptive physical properties. The proposed project is expected to proffer theoretical guidance for a more comfortable and more energy-efficient enclosure structure optimization design for hot summer and cold winter zones hence to have an important impact on the passive building enclosure design in hot summer and cold winter zone of China.

目前夏热冬冷地区常规建筑围护结构热工设计方法仅根据各层材料在绝干状态下的导热系数计算传热系数限值。而实际工程中围护结构内的高含水率导致实际传热量增大，采暖制冷能耗增加，同时伴随有墙体表面发霉等问题。本项目拟在前人研究的基础上，利用低熔点石蜡微胶囊与多孔建筑材料分层或融合而制成调温调湿型围护结构构件，考虑夏热冬冷地区降雨和太阳辐射的影响，对围护结构的构造进行热工优化设计研究。建立降雨和太阳辐射对围护结构外表皮的含水率和温度作用的动态模型；确定调温调湿材料应用在冬夏季围护结构的热工设计与分析方法；建立变物性围护结构的传热传质耦合计算应用模型，为更舒适更节能的夏热冬冷地区围护结构优化设计提供理论指导。研究成果将对夏热冬冷地区被动式建筑围护结构设计方法产生重要影响。

项目围绕夏热冬冷地区围护结构受室内外湿环境作用，以及内部热湿耦合传递作用对能耗的影响，开展了一系列实验研究和理论分析。. 通过制备新型调温调湿型围护结构内表面材料，表征了材料的湿缓冲性能与微观形貌之间的关系，并完善湿缓冲评价模型，建立了材料湿缓冲实际值关于材料湿缓冲理论值以及风速的计算模型，该模型提供了一种快速得到给定风速下湿缓冲实际值的方法。. 通过对夏热冬冷地区围护结构外表面风驱雨的曝露特征研究分析，可知东南沿海地区建筑风驱雨的极端和长期曝露风险等级都在很高及以上；从东南沿海到内陆地区，曝露风险逐渐减少；采用半经验模型定量研究夏热冬冷地区东、中、西六个典型城市不同朝向建筑壁面的风驱雨量和抓取率。结果表明：夏热冬冷地区六城市建筑壁面WDR曝露量在夏季最多，主要集中在3月~10月间，WDR曝露较为严重的主要是北墙和东墙。以上研究结果可为夏热冬冷地区城市建筑围护结构的耐久性能和热工性能计算提供边界条件。. 研究变物性围护结构的热湿耦合传递特征，建立理论模型，以空气含湿量和温度为驱动势，考虑了空气层对多层墙体热湿耦合传递的影响，并独立编写Matlab模拟计算程序，模拟计算调湿兼通风除湿型墙体的调湿工况下热湿传递过程，计算结果通过与WUFI软件的模拟结果对比吻合良好，验证了该程序计算调湿兼通风除湿型墙体内热湿耦合非稳态传递过程的准确性，可应用于调湿型围护结构的热湿动态耦合过程，为围护结构的优化设计提供理论依据。. 应用本研究研发的调温调湿型内表面建材在夏热冬冷地区典型住宅围护结构，并结合内外墙保温构造、高性能窗户和提升气密性等进行节能构造优化计算，结果发现：在不使用空调时，建筑综合节能设计策略可使冬季室内温度提高3.6◦C，室内相对湿度降低 12%，在夏季降低室温 4.4◦C；在使用空调实现室内同等热湿环境时，建筑综合节能设计策略年节能率可达 35%，运行阶段碳排放量可减少 3.4 kgCO2eq/m2/yr。. 本课题的应用前景体现在：新型绿色建材；高性能围护结构设计；建筑围护结构防水等方面。