CN117515685A - 热湿耦合调节建筑围护结构及其应用 - Google Patents
热湿耦合调节建筑围护结构及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开提供了一种用于室内环境热湿耦合调节的建筑围护结构及其应用,其中,热湿耦合调节建筑围护结构包括:内嵌管式辐射供能模块,用于调节环境温度;调湿材料,具有吸附蓄湿能力,用于被动调节环境湿度,稳定相对湿度的波动范围。调湿材料贴敷于辐射供能模块表面,可通过调节辐射供能模块内嵌管中流体的温度和流量控制调湿材料的吸湿及再生过程。本发明可同时实现室内小温差供能和被动调湿,减少一次能源消耗,防止辐射表面夏季供冷的结露现象,保证室内良好热舒适性及卫生状况。
Description
技术领域
本公开涉及建筑围护结构的技术领域,具体地,涉及一种用于室内环境的热湿耦合调节建筑围护结构及其应用。
背景技术
建筑内部的空气湿度是建筑内部热舒适的主要影响因素之一,从而影响建筑的能耗,建筑内部的空气湿度会影响居住者的热舒适感,增加建筑的能耗,并且如果室内相对湿度过大会导致建筑表面结露,影响室内卫生情况,从而减少建筑围护结构的寿命。目前,室内常用的除湿方法包括露点除湿、膜除湿、液体除湿、固体吸附剂除湿等方法,这些方法都需要额外设置除湿机构,增加了初投资和建筑能耗,还会产生冷凝水导致环境污染等问题。
此外,建筑内部通常采用散热器或辐射地板作为散热终端,但这需要对室内进行改造,如架设散热器或铺设辐射地板结构等。然而,传统散热形式对室外天气变化的响应能力较弱,容易导致室内过热或过冷的问题,从而造成能量浪费。传统的供热/供冷***没有充分利用建筑本身的热容来储能,难以应对新能源***波动性大、随机性强的特点。在夏季使用辐射制冷时,由于传统的供冷方式下,辐射***采用较低的供水温度,很容易导致结露问题,进而引发室内霉菌滋生等卫生问题。因此,需要额外的空气处理设备或通风设备来控制室内湿度,进一步增加了建筑的能耗。
发明内容
有鉴于此,本公开提供了一种热湿耦合调节建筑围护结构及其应用,以至少部分解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题,本公开提供的技术方案如下:
作为本发明公开的一个方面,提供了一种热湿耦合调节建筑围护结构,包括:
内嵌管式辐射供能模块,用于调节环境温度;
调湿材料,具有蓄湿能力,用于控制室内湿度的波动范围,稳定环境相对湿度。
根据本公开的实施例,调湿材料为多孔吸湿材料,用于调节室内的相对湿度,可吸附并储存空气中的湿份,当相对湿度降低时,向室内释放储存的湿份,起到对室内环境的调湿作用;
调湿材料包括硅藻土、贝壳粉、膨胀蛭石、硅胶、分子筛、有机金属骨架(MOF)材料、活性炭、陶土材料。
根据本公开的实施例,调湿材料设置在内嵌管式辐射供能模块的室内侧,以形成热湿耦合效果;
内嵌管式辐射供能模块夏季供冷工况载热流体温度为18-24℃,冬季供热工况载热流体温度为25-30℃;
调湿材料有效吸湿的相对湿度范围为≥65%,有效放湿的相对湿度范围为0~30%。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块包括墙体内嵌管式辐射供能模块、屋顶内嵌管式辐射供能模块。
根据本公开的实施例,墙体内嵌管式辐射供能模块包括第一保温层、第一管道层。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块还包括面饰层、第一结构层、第二结构层。
根据本公开的实施例,屋顶内嵌管式辐射供能模块包括第二保温层、第二管道层。
根据本公开的实施例,屋顶内嵌管式辐射供能模块还包括保护层、防水层、找坡层、找平层、第三结构层、第四结构层。
作为本公开的另一个方面,提供了一种上述热湿耦合调节建筑围护结构在室内舒适度调节中的应用,其中,
通过调节内嵌管式辐射供能模块载热流体的温度、流量以控制室内温度,满足室内的供热/供冷需求;
调湿材料对室内湿度进行被动调节,以控制室内环境相对湿度的波动范围,防止内嵌管式辐射供能模块表面结露,达到室内舒适度要求。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块的管道层位置、管间距、管径、结构层厚度根据建筑实际冷热负荷需求确定;
调湿材料的比表面积、孔径大小、孔隙率、密度根据室内所需湿度进行调整;
调湿材料的厚度根据室内所需除湿量、材料密度和铺设面积进行调整。
基于上述技术方案,本公开提供的热湿耦合调节建筑围护结构及其应用,至少包括以下有益效果之一:
(1)在本公开的实施例中,将流体管道置于建筑围护结构中构成内嵌管式辐射供能模块,以小温差向室内环境提供冷量/热量,提升低品位能源的利用;利用嵌管式辐射供能模块的显著蓄热性能进行能量的存储与释放,提高需求侧柔性负荷潜力,减少由于供需特性不匹配造成的一次能源浪费或室内热需求不能满足的现象。
(2)在本公开的实施例中,耦合调湿材料用于减少环境湿度超出舒适范围的现象,维持环境相对湿度的稳定,可有效减少室内辐射冷表面结露的风险,提高室内舒适度,保障室内环境卫生状况。
(3)在本公开的实施例中,调湿材料的调湿过程受内嵌管式辐射供能模块表面温度的影响,可通过调节内嵌管式辐射供能模块载热流体的温度、流量控制调湿材料的吸湿、放湿过程,实现室内湿度的动态控制,无需额外安装辅助调湿装置,经济性较高。
(4)在本公开的实施例中,设置被动式调湿材料形成的热湿耦合调节建筑围护结构,可以实现室内温度的主动控制和湿度的被动调节,减少了建筑供能***的运行费用,并且能够保持室内卫生,延长建筑围护结构寿命。
附图说明
图1为本公开实施例中基于墙体内嵌管式辐射供能模块被动调湿的热湿耦合调节建筑围护结构示意图;
图2为本公开实施例中基于屋顶内嵌管式辐射供能模块被动调湿的热湿耦合调节建筑围护结构示意图;
图3为本公开实施例中寒冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图;
图4为本公开实施例中寒冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图;
图5为本公开实施例中夏热冬冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图;
图6为本公开实施例中夏热冬冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图;
图7为本公开实施例中夏热冬暖地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图;
图8为本公开实施例中夏热冬暖地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图。
附图标记说明如下:
11-吸湿层;
12-粘结层;
13-第一结构层;
14-第一管道层;
15-第二结构层;
16-第一保温层;
17-面饰层;
21-第二吸湿层;
22-第三结构层;
23-第二管道层;
24-第四结构层;
25-找坡层;
26-找平层;
27-防水层;
28-第二保温层;
29-保护层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开作进一步的详细说明。
以下,将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而,明显地,一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义,除非另外定义。应注意,这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义,而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下,一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如,“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下,一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如,“具有A、B或C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。
目前,对于热湿耦合墙体建筑的研究大多将温度调节和湿度调节分开进行控制,并且多采用主动调节的手段。
在实现本公开的过程中发现,一方面辐射供能***对于其表面湿度要求较高,尤其辐射供冷情况下,表面湿度过高会造成结露现象,目前大多需要配置机械式除湿设备控制,导致额外的能源消耗。另一方面,单一采用传统的被动调湿材料,室内湿份的传递无法根据居住者需求进行动态调节,室温状态下脱附再生过程困难,调湿效果不佳。
有鉴于此,本公开提供了一种被动调湿的热湿耦合调节建筑围护结构及其应用,通过将内嵌管式辐射供能模块与调湿材料耦合,构建热湿耦合调节建筑围护结构,实现建筑温湿度的协同控制,以满足室内热舒适的要求,并且无需增加额外的空气处理设备,可有效降低建筑运行能耗。
具体地,作为本公开的一个方面,提供了一种热湿耦合调节建筑围护结构,包括:
内嵌管式辐射供能模块,用于调节环境温度;
调湿材料,具有蓄湿能力,用于控制室内湿度的波动范围,稳定环境相对湿度。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块(TABS)在调节室内温度舒适的情况下,可以利用建筑自身的热容进行蓄能,实现负荷转移,不需要额外配置储能/储热装置,提升低品位能源利用效率,推动可持续发展。
根据本公开的实施例,通过将调湿材料与内嵌管式辐射供能模块(TABS)相耦合,形成热湿耦合调节建筑围护结构,可以同时调节室内湿度及温度,维持室内相对湿度的稳定性,以满足室内热舒适需求。并且设置被动式吸湿的调湿材料可以有效减少室内结露的风险,降低潜在的霉菌和细菌滋生的可能性,提高室内空气质量,有效延长建筑围护结构的寿命。
根据本公开的实施例,通过内嵌管式辐射供能模块供应冷热量耦合吸湿材料调节湿度,可以提供更加舒适的室内环境,降低室内湿度波动和温度波动,在提高能源利用效率、保障室内舒适性和卫生要求方面具有巨大的潜力。
根据本公开的实施例,调湿材料为多孔吸湿材料,调湿材料为多孔吸湿材料,用于调节室内的相对湿度,可吸附并储存空气中的湿份,当相对湿度降低时,向室内释放储存的湿份,起到对室内环境的调湿作用;
根据本公开的实施例,多孔吸湿材料调湿的特性使得建筑物能够保持适宜的湿度,提高舒适度,并防止湿份对建筑物和人体健康的影响。可以针对所在环境与目标室内湿度,通过综合比对调湿材料的孔径、孔隙率、比表面积、等温吸附/脱附曲线,密度,导热性能及经济性等筛选调湿效果较好的多孔吸湿材料,可以实现对湿度的缓存,保持适宜的湿度,降低室内辐射冷表面结露的风险,能够提高舒适度,并防止湿份对建筑物和人体健康的影响。
根据本公开的实施例,调湿材料包括硅藻土、贝壳粉、膨胀蛭石、硅胶、分子筛、有机金属骨架(MOF)材料、活性炭、陶土材料,但不仅限于此,其他能够有效调节室内湿度、提高舒适度的材料也同样适用,例如有纤维素材料、碳化硅材料、多孔玻璃材料、分子筛、阳离子交换树脂等。
根据本公开的实施例,调湿材料设置在内嵌管式辐射供能模块的室内侧,以形成热湿耦合效果;
根据本公开的实施例,设置于内嵌管式辐射供能模块室内侧的调湿材料的吸湿传热过程受到内嵌管式辐射供能模块表面温度的影响,可通过调节内嵌管式辐射供能模块载热流体的温度、流量控制吸湿/放湿过程,并能平衡室内温度和湿度,提高环境舒适性。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块夏季供冷工况载热流体温度为18-24℃,冬季供热工况载热流体温度为25-30℃。
根据本公开的实施例,调湿材料有效吸湿的相对湿度范围为≥65%,例如可以是65%、72%、78%、80%、85%等;有效放湿的相对湿度范围为0~30%,例如可以是10%、15%、18%、21%、28%等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能包括墙体内嵌管式辐射供能、屋顶内嵌管式辐射供能。
根据本公开的实施例,墙体内嵌管式辐射供能结构包括第一管道层和第一保温层。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能结构中的管道层将流体管道置于建筑围护结构中,通过供应温度和流量可变的管道向建筑围护结构供应冷热水,这些管道被安装在墙体和屋顶中,通过传导的方式实现冷量/热量的传递,维持建筑内表面温度。当室内需要降温时,冷水通过管道流过墙体和屋顶,吸收热量并将其排出室外;当室内需要加热时,热水通过管道流过墙体和屋顶,释放热量并提供温暖。根据建筑内部的实际需求进行能量供应,可以实现能源的高效利用,并且保持室内热舒适性,抵御外界气候变化,从而降低建筑的供热/供冷能耗。
根据本公开的实施例,墙体内嵌管式辐射供能模块还包括面饰层、第一结构层、第二结构层。
图1为本公开实施例中基于墙体内嵌管式辐射供能模块被动调湿的热湿耦合调节建筑围护结构示意图,通过墙体内嵌管式辐射供能模块耦合吸湿材料形成热湿耦合调节建筑围护结构。由图1可以看出,墙体内嵌管式辐射供能模块包括:第一结构层13、第一管道层14、第二结构层15、第一保温层16、面饰层17,此外,由吸湿材料构成第一吸湿层11,由粘结层12将第一吸湿层11和墙体内嵌管式辐射供能模块内侧的第一结构层13粘结贴合。
根据本公开的实施例,屋顶内嵌管式辐射供能模块包括第二保温层、第二管道层。
根据本公开的实施例,屋顶内嵌管式辐射供能模块还包括保护层、防水层、找坡层、找平层、第三结构层、第四结构层。
图2为本公开实施例中基于屋顶内嵌管式辐射供能模块被动调湿的热湿耦合调节建筑围护结构示意图,通过屋顶内嵌管式辐射供能模块耦合吸湿材料形成热湿耦合调节建筑围护结构。由图2所示,吸湿材料构成第二吸湿层21,屋顶内嵌管式辐射供能模块的结构包括:第三结构层22、第二管道层23、第四结构层24、找坡层25、找平层26、防水层27、第二保温层28、保护层29。
作为本公开的另一个方面,提供了一种由上述热湿耦合调节建筑围护结构在室内舒适度调节中的应用,其中,
通过调节内嵌管式辐射供能模块载热流体的温度、流量以控制室内温度,满足室内的供热/供冷需求;
调湿材料对室内湿度进行被动调节,以控制室内环境相对湿度的波动范围,防止内嵌管式辐射供能模块表面结露,达到室内舒适度要求。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块(TABS)通过升高/降低建筑围护结构内表面的温度,形成热/冷辐射面,依靠辐射面与建筑内部的人体、家具及建筑其余表面的辐射热交换以及对流进行供热/供冷,以调节室内达到适宜的温度。而供冷工况下内嵌管式辐射供能模块形成的辐射面表面温度如降低到空气露点温度下,将导致表面水蒸气凝结,形成结露现象,长期如此会滋生霉菌带来卫生问题。通过设置能够吸收和释放水分的调湿材料,可以将湿度降低到适宜范围,避免了结露问题。反之,当室内湿度较低时,多孔吸湿材料会释放储存的水分,增加室内湿度,调湿材料对室内湿度进行自然的被动调节能力不仅节省了能源消耗,还有效地降低了室内结露的风险。
根据本公开的实施例,内嵌管式辐射供能模块的管道层位置、管间距、管径、结构层厚度根据建筑实际冷热负荷需求确定;
调湿材料的比表面积、孔径大小、孔隙率、密度根据室内所需湿度进行调整;
调湿材料的厚度根据室内所需除湿量、材料密度和铺设面积进行调整。
根据本公开的实施例,根据不同场景下建筑内部的湿度负荷来源和潜热负荷计算环境所需的除湿量,并根据理想工作状态下调湿材料的除湿能力(设置20%冗余的除湿能力)计算所需材料的重量,根据调湿材料的密度和铺设面积计算调湿材料的厚度,以使室内环境的相对湿度适宜。
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加的清晰明确,以下通过具体实施例结合附图对本公开的技术方案和原理做进一步阐述说明。需要注意的是,下述的具体实施例仅是作为举例说明,本公开的保护范围并不限于此。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径获得。实施例中未注明具体技术或条件者,均为常规方法,可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
通过仿真模拟软件对热湿耦合调节建筑围护结构进行模拟,根据建筑热工设计规范,设计如图1和图2所示的内嵌管式辐射供能热湿耦合墙体和内嵌管式辐射供能热湿耦合屋顶。其中,内嵌管式辐射供能热湿耦合墙体的结构中第一管道层14和内嵌管式辐射供能热湿耦合屋顶结构中第二管道层23的内部结构为:选用外径为24mm、内径为20mm的聚苯乙烯管道,管道间距设置为200mm,并向管道内部供应温度为20℃、流量为0.000314m3/s的水循环流动。热湿耦合调节建筑围护结构内侧的第一吸湿层11和第二吸湿层21选择为硅藻土作为室内多孔吸湿材料。
设置有调湿材料、无调湿材料、有TABS、无TABS、以及上述多孔吸湿材料+TABS形成的热湿耦合调节建筑围护结构,对室内温度及湿度的变化情况进行分析。分别选取寒冷地区、夏热冬暖地区、夏热冬冷地区的城市天气数据进行仿真模拟,选取室外相对湿度最高7日,并设置相同的室内人员在室率,研究热湿耦合调节建筑围护结构对室内热舒适性的影响。
图3为本公开实施例中寒冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图,图4为本公开实施例中寒冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图。如图3和图4可以看出,在寒冷地区有TABS和调湿材料的室内温度和湿度变化的波动较小,能够长时间维持温度和湿度的稳定,并且能够保持相对湿度的稳定,可以减小结露的风险。采用TABS下,室内温度可保持在25℃左右,满足室内温度舒适要求。室内相对湿度可降低20%左右,有效防止室内出现结露现象。
图5为本公开实施例中夏热冬冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图,图6为本公开实施例中夏热冬冷地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图。由图5可以看出在温度和湿度偏高的夏热冬冷地区,设置TABS可以将室内温度控制在26℃左右,对于室内人员来说较舒适。由图6可以看出,在湿度较大的地区,设置吸湿材料的热湿耦合调节建筑围护结构室内相对湿度会根据时间的延长出现波动现象,但也能够有效降低室内相对湿度,在一定程度上维持相对湿度的舒适感。
图7为本公开实施例中夏热冬暖地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的温度变化曲线图,图8为本公开实施例中夏热冬暖地区热湿耦合调节建筑围护结构室内的相对湿度变化曲线图。由图7和图8可以看出,通过设置TABS和吸湿材料也可以稳定夏热冬暖地区的室内温度,使温度保持在适宜的26℃左右,并能降低室内相对湿度。室内湿度在人员在室情况下可降低约20%,在人员在室期间可防止室内出现结露。
基于上述技术方案,本公开提供的热湿耦合调节建筑围护结构通过内嵌管式辐射供能模块进行温度调节,吸湿材料进行被动调湿,可以同时调节室内湿度及温度,维持温度和室内相对湿度的稳定,防止结露问题,满足室内热舒适需求,提升了低品位能源利用度,并且尽可能减少了额外装置,降低建筑运行费用,有利于推动热湿耦合建筑建造规范化、标准化。
以上的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于室内环境热湿耦合调节建筑围护结构,包括:
内嵌管式辐射供能模块,用于调节环境温度;
调湿材料,具有吸附蓄湿能力,用于被动调节环境湿度,稳定相对湿度波动范围。
2.根据权利要求1所述的建筑围护结构,其中,
所述调湿材料为多孔吸湿材料,用于调节环境相对湿度,可吸附并储存空气中的湿份,当相对湿度降低时,向室内释放储存的湿份,起到对室内环境的调湿作用;
所述调湿材料包括硅藻土、贝壳粉、膨胀蛭石、硅胶、分子筛、有机金属骨架(MOF)材料、活性炭、陶土材料。
3.根据权利要求1所述的建筑围护结构,其中,
所述调湿材料设置在所述内嵌管式辐射供能模块的室内侧,以形成热湿耦合效果;
所述内嵌管式辐射供能模块夏季供冷工况载热流体温度为18-24℃,冬季供热工况载热流体温度为25-30℃;
所述调湿材料有效吸湿的相对湿度范围为≥65%,有效放湿的相对湿度范围为0~30%。
4.根据权利要求1所述的建筑围护结构,其中,
所述内嵌管式辐射供能模块包括墙体内嵌管式辐射供能模块、屋顶内嵌管式辐射供能模块。
5.根据权利要求4所述的建筑围护结构,其中,
所述墙体内嵌管式辐射供能模块包括第一保温层、第一管道层。
6.根据权利要求5所述的建筑围护结构,其中,
所述墙体内嵌管式辐射供能模块还包括面饰层、第一结构层、第二结构层。
7.根据权利要求4所述的建筑围护结构,其中,
所述屋顶内嵌管式辐射供能模块包括第二保温层、第二管道层。
8.根据权利要求7所述的建筑围护结构,其中,
所述屋顶内嵌管式辐射供能模块还包括保护层、防水层、找坡层、找平层、第三结构层、第四结构层。
9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的热湿耦合调节建筑围护结构在室内舒适度调节中的应用,其中,
通过调节所述内嵌管式辐射供能模块载热流体的温度、流量以控制室内温度,满足室内的供热/供冷需求;
所述调湿材料对室内湿度进行被动调节,以控制室内环境相对湿度的波动范围,防止所述内嵌管式辐射供能模块表面结露,达到室内舒适度要求。
10.根据权利要求9所述的应用,其中,
所述内嵌管式辐射供能模块的管道层位置、管间距、管径、结构层厚度根据建筑实际冷热负荷需求确定;
所述调湿材料的比表面积、孔径大小、孔隙率、密度根据室内所需湿度进行调整;
所述调湿材料的厚度根据室内所需除湿量、材料密度和铺设面积进行调整。
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