[发明专利]用于被动式热和水管理的多功能系统

说明书

在一个实施方案中，提供了一种多功能材料系统，该系统可包括可变渗透率层、干燥剂容纳层和蒸气可渗透支撑层。可变渗透率层可具有随相对湿度的增加而增加的蒸气渗透率。干燥剂容纳层可邻近可变渗透率层。蒸气可渗透支撑层可安置为邻近可变渗透率层和干燥剂容纳层中的至少一者。当邻近可变渗透率层的相对湿度大于干燥剂层时，水将沿从可变渗透率层到干燥剂层的第一方向移动。当邻近干燥剂容纳层的相对湿度大于可变渗透率层时，水将沿从干燥剂容纳层到可变渗透率层的第二相反方向移动。当湿度梯度反转时，水在第一方向上的运动速率将大于第二方向。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年8月31日提交并且题为“Construction MaterialsIncorporating A Multifunctional Subsystem For Passive Heat And WaterManagement In Building Envelopes”的美国临时专利申请号62/725,446的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

期望外围结构(enclosure)如建筑物以可承受的成本拥有特性如能量效率、舒适性和耐久性。然而，同时实现这些特性的尝试可能陷入冲突。举例来说，可通过使用隔热材料和增加建筑物的气密性来改善建筑物的能量效率。然而，湿度控制将是越来越关注的问题。值得注意的是，通过外围结构的隔热材料和气密性获得高R-值(抵抗热传导的量度)可能导致对水蒸气的渗透性降低并增加冷凝、湿害和发霉的风险。因此，随着能量效率的改善，耐久性和舒适性常会下降。

发明内容

已开发出多种技术来提供改善的湿度控制。在一个方面，“智能”蒸气阻滞器膜表现出对水蒸气的渗透性，该渗透性随相对湿度而变化。例如，所述膜的渗透性会随相对湿度的增加而急剧增加，这允许壁在水渗入时变干，同时所述膜的渗透性会随相对湿度的降低而降低，从而阻滞水蒸气向壁中的扩散。然而，当外部相对湿度升高时，即便是智能蒸气阻滞器也允许有限量的水进入到壁中，因为扩散会使水蒸气朝降低湿度的方向移动。一旦相对湿度下降，从壁移除水蒸气所需的时间的量大约等于水蒸气被加到壁期间的时间的量。也就是说，当跨壁的相对湿度梯度大小反转时，智能蒸气阻滞器会在水蒸气的进入和排出方面表现出时间对称性。因此，可以理解，与相对湿度条件反转时水蒸气的排出相比，智能蒸气阻滞器缺乏优先抑制水蒸气进入的机制。

基于干燥剂的系统是另一种现有技术湿度控制技术。干燥剂系统通过将水吸附到干燥剂材料的表面而直接从空气移除水。当干燥剂材料被加热时，吸附的水将被驱离干燥剂的表面。此过程将恢复干燥剂对空气除湿的能力。相比之下，现有的HVAC系统通过首先将空气冷却到露点以下、然后再将其加热到所需温度来从空气移除水。由于HVAC系统在运行期间需要动力来冷却和加热空气，故在湿度控制方面，它们的能量效率显著低于现有的HVAC系统。然而，尽管与现有的HVAC系统相比基于干燥剂的除湿系统具有更高的能量效率，但它们仍会消耗能量来产生再生干燥剂所需的热。

应理解，建筑物能量效率的改善常常会显著增加建筑成本。通常，安装额外的空气、湿度和热控制层会显著增加人工成本。因此，能够同时调节水蒸气的进入和排出、存储和释放热以及进行加湿和除湿的多功能建筑材料可改善建筑物的热湿性能，提供改善的能量效率，同时还降低建筑的人工成本。此外，能够在不移动机械零件或动力的情况下对空气加湿和除湿的多功能材料可提供进一步的效率改善。

本公开的实施方案提供了一种解决这些问题的多功能材料系统。多功能材料系统的第一个功能是以类似于相变材料(PCM)的方式存储和释放热能。通常，PCM可通过随着周围温度分别升高或降低越过相变温度而吸收或释放潜热来调节温度。现有的PCM可在液态和固态之间发生相变，如在石蜡的情况下，及在水合状态和无水状态之间发生相变，如在盐水合物的情况下。当水在材料表面上在气态和冷凝态之间(例如，水相图的汽化/冷凝线)跨越时，多功能材料系统可吸收或释放热。这种类似于PCM的行为可通过将HVAC系统上的能量需求减少等于所传递的潜热的量来提供改善的能量效率。