调湿板的研究与应用

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D_eff^[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=230Xe^0.062t;^[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^-3e^0.062tC+4.7987×10^-5e^0.062t (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h_in由（7）式算出
　　　 　　 　　 　　 　（7）
　　 初始条件：

　　 τ=0，0≤x≤x₀，C=C₀
　　 τ=0，X_r=X_r0 　　　　　　　　　　 (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

　　 * 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。
　　

　　ρ_dry-调湿板中干材料的密度（kg dry solid/m³）;
　　D_eff-水蒸气在空气中的扩散系数（m²/s）
　　D_air -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）
　　X_r-室内空气绝对含湿量（kg/kg dry air）
　　h_in-对流传质系数（m/s）
　　ρ_air-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）　　 U_e-换气量（m²/s）
　　U_r-房间体积（m³） 　　τ-时间（s）
　　X-位置（m） 　　　x₀-板厚（mm）
　　S_c-施密特数　　　 t-温度（℃）
　　ψ-相对湿度　　　 S-调湿板面积（m²）