通风型太阳能光伏多层外墙热湿耦合传递及调湿效果研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 8.46MB 104 页 15积分

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摘要

随着社会的进步，建筑外墙在不断的发展，但依然还存在一些问题，如墙体

的隔热性、蓄热性以及墙体蓄放湿性能没有得到很好的利用，因此有必要对目前

采用的常规建筑外墙进行改进，通过设计合理的墙体结构并选用合适的建筑材料

来达到节能的目的，以及改善室内舒适性，并且需要研究墙体自身的热湿耦合传

递规律及墙体对室内热湿环境的影响。

首先，为了达到隔热、排湿、调节室内湿环境的效果，本文设计了一种通风

型太阳能光伏多层外墙结构，将光伏组件与轻质蒸压加气混凝土结合起来，在内

表面采用内保温和 MgO 调湿材料，并在墙体内设置通风层。光伏板及其背后的通

风层在夏季可以起到减少太阳辐射得热的作用，保温层起到隔热的作用，MgO 调

湿材料起到调节室内湿环境的作用。

其次，为了研究通风型太阳能光伏多层外墙热湿耦合传递规律及对室内环境

的影响，设计和搭建了实验系统，包括测试房和对比房两个房间。通过测试过渡

季节和冬季条件下，所设计的外墙与普通外墙的温度、湿度、热流等参数，得出

以下结论：（1）、使用通风型太阳能光伏多层外墙的测试房在过渡季节相对于普通

房室内温度和相对湿度全天波动较小，含湿量较低；（2）、冬季时测试房室内温度

较高、相对湿度较低，但含湿量较大，体现了测试房较好的室内舒适性；（3）、光

伏组件在过渡季节能够减小室外综合温度，比普通墙体低 35.3%，并且墙体对于室

内的得热量，比普通墙体低 12.8%；（4）、在冬季带光伏组件的墙体能够减少热损

失，比普通墙体约低 49.9%；（5）、由于光伏组件的遮挡和通风流道的通风能够使

墙体更快的干燥，降低墙体内的相对湿度，减小了墙体内的湿积累；（6）、当室外

空气温度上升时，空气层内含湿量会迅速增大，但光伏背板流道的含湿量变化很

小，为空气层排湿风机的设计提供了实验依据。

再次，对轻质蒸压加气混凝土板及 MgO调湿材料进行热湿物性参数实验测试，

包括材料的等温湿平衡曲线以及水蒸气扩散系数，为求解热湿耦合传递模型提供

了基础；并且根据等温湿平衡曲线得到了 MgO 调湿材料在 35%-60%的平衡含湿量

为0.025g/g，相对于一般调湿材料具有较大的容湿量。

最后，采用 EnergyPlus 模拟软件建立了通风型太阳能光伏多层外墙在过渡季

节和冬季测试条件下的热湿耦合传递数值模拟模型，并与实验测试得到的室内热

湿环境及墙体温度进行对比验证，得到模拟结果与实验测试结果吻合较好，验证

了模拟方法的正确性；并且根据该热湿耦合数值模型，分别模拟了该外墙在夏季

和冬季工况下运用于上海、北京和广州时对室内热湿环境的影响，得到该外墙具

有较好的适用性。

关键词：围护结构热湿传递调湿材料太阳能光伏

ABSTRACT

With the progress of the society, building external wall is constantly development,

but it still has some problems, such as the thermal insulation, heat storage and the

moisture sorption and desorption performance didn’t get to good use. Thus, it is

necessary to improve the structure of wall and based on new building materials to

reduce the energy consumption and improve the indoor comfort.

Firstly, a new type of multilayer external wall with photovoltaic panels and

ventilation channels is introduced in this paper. This wall integrate the photovoltaic

panels with light weight concrete, and use MgO based moisture buffering materials on

the internal surface, and there are two ventilation channels design between the

construction layers. The purpose of this design is to improve the insulation performance,

and ventilation channels can remove the moisture in the wall, besides, the MgO

moisture buffering materials can adjust the indoor relative humidity.

Then, in order to research the hydrothermal performance of the new wall structure

and the effect to the indoor environment, two contrast experiment house were built up,

which include test room and reference room. The south wall of the test room is

equipped with the new wall, and the reference room is equipped with light weight

concrete and EPS. This experiment is conducted in a series days in transition season and

winter season, and get the conclusions below:(1) the temperature and relative humidity

in the test room changed in a smaller range than in the reference room in the transition

season, and the moisture content also lower in the test room; (2) in winter season, the

temperature and moisture content in the test room is higher, but the relative humidity is

lower, which shows better indoor comfort;(3) the PV panels can reduce the

comprehensive temperature of outdoor in transition season, which is 35.3% lower than

the ordinary wall, and the heat gain in the test room is 12.8% lower than in the reference

room; (4) the heat loss is 49.9% lower than in the reference room in winter; (5) because

of the cover of PV panels and channel ventilation, it can reduce the relative humidity

and moisture accumulation in the wall; (6) when the temperature of outdoor air increase,

the moisture content in the air channel will increase rapidly, but it change less in the

channel behind the PV panel, this conclusion can as the design basis of fan in the air

channel to remove moisture.

In order to solve the heat and moisture transfer model, according to the standard of

ASTM, the light weight concrete and MgO moisture buffering materials are research to

determinate the isothermal sorption and water vapor permeability. According to the

experiment result, the equilibrium moisture content of MgO moisture buffering

materials between the relative humidity of 30%-65% is 0.025g/g, which is higher than

any other moisture buffering materials, and shows good moisture buffering

performance.

Finally, a heat and moisture transfer model of the multilayer external wall were

established based on EnergyPlus software, and the experimental weather data tested in

the transition season and winter season are as the calculation condition put into the

model. According to the comparison results of numerical and experimental data, they

agree well and so as to the numerical model was validated. Based on the simulation

model, the effect of the multilayer external wall to the thermal and moisture

environment when it used in Shanghai, Beijing and Guangzhou were simulated, and

conclude that the wall has a good applicability.

Key Word：Building envelops，Heat and moisture transfer，Moisture

buffering materials, Photovoltaic

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................... 1

1.1 研究背景及意义 ................................................ 1

1.1.1 由于热湿传递引起的外墙与建筑能耗关系问题 ................... 1

1.1.2 由于热湿传递引起的外墙与结露及材料耐久性关系问题 ........... 2

1.1.3 由于热湿传递引起的外墙与室内舒适性关系问题 ................. 3

1.1.4 目前建筑外墙存在的问题 ..................................... 3

1.2 新型建筑外墙结构及材料研究现状 ................................ 4

1.2.1 太阳能光伏建筑一体化 ....................................... 4

1.2.2 外墙保温形式及材料 ......................................... 5

1.2.3 调湿材料 ................................................... 6

1.4 本文的主要研究内容 ........................................... 10

1.5 本章小结 ...................................................... 10

第二章通风型太阳能光伏多层外墙设计及实验方案 ........................ 12

2.1 通风型太阳能光伏多层外墙设计 ................................. 12

2.1.1 设计目的 .................................................. 12

2.1.2 外墙结构设计 .............................................. 13

2.1.3 外墙的运用 ................................................ 13

2.1.4 外墙的特点 ................................................ 14

2.2 实验系统 ..................................................... 15

2.2.1 对比实验房设计 ............................................ 15

2.2.2 墙体结构 .................................................. 19

2.2.3 太阳能光伏发电系统 ........................................ 22

2.2.4 实验数据采集系统 .......................................... 23

2.3 实验方案 ..................................................... 29

2.3.1 实验目的 .................................................. 29

2.3.2 实验工况及实验方法 ........................................ 29

2.3.3 实验测点布置 .............................................. 30

2.4 本章小结 ..................................................... 32

第三章实验数据处理与分析 ............................................ 33

3.1 实验房彩钢板保温性分析 ....................................... 33

3.1.1 数据处理方法 .............................................. 33

3.1.2 传热系数计算 .............................................. 34

3.2 通风型太阳能光伏多层外墙室内热湿环境研究 ..................... 34

3.2.1 过渡季节连续测试结果分析 .................................. 34

3.2.2 过渡季节晴天和阴天测试结果分析 ............................ 36

3.2.3 冬季连续测试结果分析 ...................................... 41

3.2.4 冬季晴天和阴天测试结果分析 ................................ 43

3.3 光伏组件对墙体温湿度分布的影响 ............................... 46

3.3.1 光伏组件对墙体传热的影响 .................................. 47

3.3.2 光伏组件对外墙得热量的影响 ................................ 48

3.3.3 光伏组件对墙体传湿的影响 .................................. 53

3.4 通风流道降温排湿效果实验研究 ................................. 56

3.4.1 光伏通风流道降温效果 ...................................... 56

3.4.2 墙体内空气层湿积累 ........................................ 57

3.5 本章小结 ..................................................... 60

第四章材料热湿物性参数研究 .......................................... 62

4.1 等温吸放湿曲线测试实验 ....................................... 62

4.1.1 实验原理 .................................................. 62

4.1.2 实验步骤 .................................................. 62

4.1.3 实验结果 .................................................. 64

4.2 水蒸汽扩散系数测试实验 ....................................... 67

4.2.1 实验原理 .................................................. 67

4.2.2 实验步骤 .................................................. 67

4.2.3 实验结果 .................................................. 68

4.3 本章小结 ..................................................... 69

第五章通风型太阳能光伏多层外墙热湿耦合传递数值模拟研究 .............. 70

5.1 EnergyPlus 模拟软件介绍 ....................................... 70

5.1.1 模型假设 .................................................. 70

5.1.2 热平衡方程 ................................................ 70

5.1.3 湿平衡方程 ................................................ 71

5.1.4 边界条件 .................................................. 72

5.1.5 求解流程 .................................................. 73

5.1.6 空气层计算模型 ............................................ 73

5.1.7 光伏计算模型 .............................................. 74

5.2 模型的建立 ................................................... 75

5.2.1 物理模型 .................................................. 75

5.2.2 基本参数 .................................................. 75

5.2.3 网格划分 .................................................. 77

5.2.4 气象参数 .................................................. 77

5.3 模拟结果验证与分析 ........................................... 77

5.3.1 过渡季节 .................................................. 77

5.3.2 冬季 ...................................................... 80

5.4 适用性模拟分析 ............................................... 83

5.4.1 夏季工况 .................................................. 84

5.4.2 冬季工况 .................................................. 87

5.5 本章小结 ..................................................... 90

第六章结论与展望 .................................................... 91

6.1 结论 ......................................................... 91

6.2 展望 ......................................................... 92

参考文献 ............................................................ 93

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 98

致谢 ............................................................... 100

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

建筑围护结构是建筑的重要组成部分，由屋顶、门、窗户、墙体以及楼板等

部分组成，其中墙体约占整个建筑结构的 70%。由于外墙与室外环境直接接触，

并且外墙作为主要的外围护结构，对于室内人员的舒适性起了非常重要的作用。

Rengin［1］等提出，最好的外墙应该根据建筑的功能提供最佳的视觉、听觉感受及

最舒适的室内热湿环境。另外，Rousseau［2］指出，成功的建筑设计应该懂得建筑

材料内的热湿传递，并根据物性参数选择建筑材料来控制建筑内的热湿环境。建

筑外墙是多层多孔材料结构，墙体结构内的传热、传湿以及与环境空气的热质传

递是典型的热湿耦合传递过程，该过程与建筑能耗、墙体结露、材料耐久性以及

室内舒适度有紧密的联系。

因此，建筑外墙的设计必须要达到节能的效果，同时还要兼顾由外墙与室内

空气间热湿传递引起的材料耐久性以及室内舒适性的问题。

1.1.1 由于热湿传递引起的外墙与建筑能耗关系问题

由于外墙与室外空气直接接触，夏季时室外强烈的太阳照射在墙面上，造成

墙体表面温度升高。冬季室内外温差较大，室内的热量通过墙体向外散热。衡量

墙体的隔热保温效果，就是在夏季相同的室外环境下，能够尽量降低墙体表面的

温度，从而减小室内得热量；在冬季相同的室内外温差情况下，尽量减少热量向

室外传递，从而减少全年空调供暖能耗，达到建筑节能的目的。而在湿传递方面，

由于室内外空气与墙体内空气存在温差和水蒸气压差，这会使得室内外空气与墙

体之间的湿传递，墙体与空气间的吸放湿过程对于室内潜热负荷也有很大的影响，

直接关系到空调系统能耗。

根据建设部《民用建筑节能设计标准（采暖建筑部分）》（JGJ26-1995）规定，

建筑物耗热量指标和取暖耗煤量指标，要求当地新建建筑采暖标准能耗较

1980-1981 年建筑采暖的基础上实现节能 50%以上，其中，建筑的围护结构大概要

承担 30%左右的节能任务，而围护结构节能状况主要由以下两种因素决定，一是

室外自然环境气候，二是围护结构保温隔热性能。另外，有研究显示围护结构各

部位耗能存在区别：外墙 25-28%，门窗渗透 23-28%，门窗散热 25-28%，地面屋

顶11-13%，楼梯间 10%［3］。因此外墙的保温隔热性能及节能设计是建筑节能的一

上海理工大学硕士学位论文

个重要部分。

为了从理论上确定建筑传湿对传热及建筑能耗的影响，Liesen 根据蒸发-凝结

理论，建立了围护结构的热湿耦合传递模型，在能耗分析模型中加入了围护结构

的湿影响，证实了由于墙体的传湿，建筑空调负荷有所增加，尤其是屋顶，由于

太阳辐射加大室内外温差，传湿量增加，因而增加了传湿负荷，其余不同朝向的

墙体也同样由于传湿增加了系统的除湿负荷［4,5］。Dariuse 模拟了在波兰典型气候

条件下民用建筑初始含湿量对能耗的影响，模拟结果表明新建建筑干燥初期墙体

表面湿量蒸发，墙体表面温度下降提高了供暖能耗，尤其是第一个月最明显，增

加的能耗占 17.3%-35.2%，第一年增加的能耗占 4.8%-14.5%［6］。西安建筑科技大

学的王莹莹博士建立了墙体热湿耦合传递模型，该模型以空气相对湿度为湿传递

驱动势，以温度为传热驱动势，分析了在非稳态边界条件下墙体热湿耦合传递规

律，并与不考虑传湿情况进行对比，得出因墙体内表面与室内空气的湿交换导致

的换热量约占墙体表面总传热量的 27.5%，因此该热量在建筑总负荷计算时不能省

略［7］。

1.1.2 由于热湿传递引起的外墙与结露及材料耐久性关系问题

由于外墙所处的条件，外墙与室内、外空气既存在温差，同时还存在水蒸气

压力差，水蒸气会在墙体与室内、外空气间传递，而水蒸气在建筑材料内传递时，

当空气温度小于露点温度时，水蒸气就会冷凝在建筑材料内形成冷凝水，随着冷

凝水的积累，建筑材料的性能也不断降低，建筑材料的寿命也会缩短，如果在墙

体表面冷凝则可能会霉菌的生产。Shakun 也认为由于室外空气进入了墙体材料内

部，并在墙内部冷凝，而冷凝水的积累是导致建筑材料内部出现发霉等损坏的主

要原因［8］。

图1-1 墙体表面发霉实物图

第一章绪论

在我国夏热冬冷地区，由于常年湿度较大，在夏季空调长期运行墙体蓄冷后

的非空调时段，以及在冬季供暖室外温度较低并且相对湿度大时，围护结构内表

面容易出现结露的现象，建筑材料内部如保温材料两侧水蒸气冷凝还会形成材料

内部冷凝。因此，湿传递是建筑材料内应解决的重要问题，然而很多建筑师在设

计建筑物围护结构过程中更多的是依赖经验，导致许多建筑物在使用多年后便出

现墙体渗漏、发霉甚至结构损坏的现象。

根据 Tsongas 对爱荷华州 334 栋居住建筑的调研结果显示：98%的建筑中至少

存在一种由于墙体传湿引起的问题，在这些存在的问题中，玻璃结露占 62%，外

墙面脱落占 41%，墙体和屋顶发霉占 23%，室内墙面脱落占 10%［9］。因此，墙体

内的传湿对于墙体材料的耐久性关系密切。

1.1.3 由于热湿传递引起的外墙与室内舒适性关系问题

外墙的热湿耦合传递，直接影响着外墙对室内吸放热量和吸放湿量，进而影

响室内空气温湿度。有研究显示，室内产湿量的 33%左右都可以被室内墙体材料

所吸收［10］，室内墙体材料对于室内湿环境有很大的调节作用。根据国标《采暖通

风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）对空调室内温湿度环境的规定：夏季

相对湿度为 40%-65%，温度为 22-28℃；冬季相对湿度为 30%-60%，温度为 18-24℃。

较低的相对湿度会让人感觉干燥，室内容易扬尘，影响人的呼吸系统；而较高的

空气相对湿度容易引起微生物的滋长。特别是由于建筑结构中的湿积累和室内相

对湿度过高而引起内表面的霉菌生长，严重影响了室内的舒适度。

1.1.4 目前建筑外墙存在的问题

随着社会的进步，建筑外墙在保温隔热及承重方面也不断的发展，但依然还存在

一些问题。比如在春季时墙体温度较低，室外温度升高时很容易造成墙体结露，

初春时室外温度已经较高了，但室内依然较冷，晚春时，空气潮湿，舒适性差。

夏季时，白天的太阳辐射被墙体吸收，在夜间转化为空调冷负荷，夜间室外温度

下降了，但墙体蓄热作用还是热的，继续向室内散热，造成一定的空调冷负荷。

秋季时，室外温度已经下降了，但室内依然较热。冬季时，墙体蓄热量大，打开

空调采暖时暖和起来较慢，打开加热设备后，室内空气干燥。导致建筑外墙的这

些问题的根本原因就在于，墙体的隔热性、蓄热性以及墙体蓄放湿性能没有很好

的利用。因此有必要对目前采用的常规建筑外墙进行改进，通过设计合理的墙体

结构并选用合适的建筑材料来达到节能的目的，并改善室内舒适性。

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