多孔调湿材料湿缓冲机理研究

Hygroscopic building materials and furnishing used in contact with indoor air have a positive effect to moderate the variations of indoor humidity in occupied buildings. These materials can be used as a passive means of establishing comfortable indoor environment, reducing latent heat load and improving the durability of building envelope, especially for hot and humid climates in China. However, due to the complexity of moisture transfer in porous materials, so far there has been a lack of a standardized quantity to characterize the moisture buffering capacity of materials. The moisture buffering effect is ignored in most building energy simulation tools, which may reduce the reliability and accuracy of simulation results. The objects of this project are: first, carry out the fundamental research on moisture buffering phenomenon in porous hygroscopic materials based on the theory of Moisture Buffer Value; second, design a new test protocol to measure the moisture buffer value, and then develop a new hygrothermal model for whole building energy simulation based on the moisture buffering theory, which is different from the traditional coupled heat and moisture transfer model. Furthermore, as a part of the project a series of experimental tests will be carried out to validate the new calculation tool. The new model can be used to help architects and engineers to improve their energy-efficient building design in hot and humid climates.

室内环境中的各种多孔材料（如：墙体材料、家具和纺织品等）具有不同的吸湿和放湿能力。这些材料在室内湿环境发生变化时能起到缓冲或抑制相对湿度变动的作用，从而达到调节室内湿环境，降低潜热负荷和改善室内舒适性的作用。尤其是在我国南方高温多湿地区，充分利用多孔调湿材料的湿缓冲和湿调节能力对提高室内环境质量和降低建筑能耗效果明显。然而，长期以来由于湿传递的复杂性，对湿缓冲现象缺乏深入完整的研究，建筑能耗计算中也往往忽略了室内各种多孔材料的湿缓冲效应，这将大大降低建筑能耗计算的准确性。本项目将从研究多孔调湿材料的湿缓冲值(MBV)入手，深入分析湿缓冲现象的基本原理，理论模型和实验测试方法；并在此基础上将湿缓冲计算模型与现有的能耗模型进行结合，研发新的准确高效的全建筑能耗模拟分析工具。本项目还将开展一系列实验测试，以验证新模型的准确性。本课题研究成果将主要运用于我国南方湿热地区建筑节能计算与绿色建筑设计。

建筑物的潜热负荷占到全部空调能耗的30%以上，在热湿气候下潜热负荷的占比更高。多孔调湿材料能在室内湿环境发生变化时起到缓冲或抑制相对湿度波动的作用，从而达到调节室内湿环境，降低潜热负荷和改善室内舒适性的作用。本项目深入研究多孔材料的湿缓冲机理，以及其对室内湿环境的调控作用。项目从研究多孔调湿材料的湿缓冲值（MBV）入手，深入分析多孔材料湿缓冲和湿滞现象的基本原理，理论模型和实验测试方法。首次提出了理想精确控湿材料（PHCM）的概念和评价标准，提出了简谐波下的湿缓冲值计算公式，研发了基于湿缓冲值的室内湿度计算模型（MBM），设计了可快速测试MBV值的新型实验方法。并在此基础上，将湿缓冲计算模型与现有的能耗模型相结合，研发了能够快速准确进行热湿耦合计算的全建筑能耗模拟分析工具；并开展一系列实验测试，以验证新模型的准确性。项目研究紧密结合我国南方地区的气候特点，为湿热气候下的建筑节能计算以及多孔调湿材料的优化组合使用提供理论基础。此外，本项目还基于精确控湿材料的定义，合成制备了一种新型纳米调湿材料（MOF-PHCM），并完成了该材料的各项物理化学性能的测试。该新材料具有极大的比表面积和吸水量，以及较低的再生温度。该新材料具有S型的等温吸放湿线，湿滞环在相对湿度40%和60%之间。该材料可以自主地将室内湿度精确地控制在人体舒适区间内（相对湿度45-65%），实现自主精确湿度调控。本项目还研究了MOF-PHCM材料在不同气候条件下对建筑室内热湿环境及建筑能耗的影响。本项目研究成果对我国南方湿热地区建筑节能计算与绿色建筑设计具有重要的指导意义和应用价值。