墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩態模型及驗證

劉向偉　陳國杰　陳友明

摘要：為了更準確地預測墻體內的溫濕度分布，研究多孔介質墻體內的熱、濕及空氣耦合非穩態傳遞規律，以溫度、相對濕度和空氣壓力為驅動勢，考慮熱傳遞、濕傳遞、空氣滲透及其相互作用，建立了建筑多孔介質墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩態模型，并采用有限元方法設計了相應的模擬計算程序.通過對比新建模型模擬結果與國際公認的HAMSTAD標準驗證實例，驗證了模型的正確性.

關鍵詞：建筑墻體；非穩態；熱、空氣、濕耦合傳遞；含濕量；相對濕度

中圖分類號：TU111.4 文獻標識碼：A

Abstract：A coupled heat， air and moisture transfer model， which takes into consideration the heat transfer， moisture transfer and air convection and their coupled effect， was developed to predict the distribution of the temperature and humidity and to investigate the rule of the coupled heat， air and moisture transfer in walls. The temperature， relative humidity and air pressure were chosen as the driving potentials. A program based on the finite element method was developed to calculate the governing equations. And the numerical results of this model were compared with the internationally accepted HAMSTAD benchmarks， and the results agree well with each other.

Key words：building walls； transient； heat， air and moisture transfer； moisture content； relative humidity

建筑墻體多為多孔介質材料，建筑墻體熱濕傳遞研究以多孔介質傳熱傳質學為理論基礎.Philip 與Devries[1] （1957年） 和Luikov[2] （1966年） 以溫度和含濕量為驅動勢，考慮多孔介質內熱傳遞、濕遷移及其相互作用建立了多孔介質熱濕耦合傳遞模型.在Philip與Devries和Luikov模型的基礎上Kunzel[3]， Kong[4]， Chu[5]， Abahri[6]， Leskovsek[7]， Zhong[8]， Belarbi[9]， Qin[10]，李魁山[11]和郭興國[12]等各自建立了多孔介質材料的熱濕耦合傳遞模型.空氣滲透對熱濕傳遞過程的影響在上述研究中均未考慮.

建筑墻體長期暴露在非穩態氣候條件下，由于室內外環境存在溫度、濕度及空氣壓力梯度，這將導致墻體內的熱傳遞、濕遷移及空氣滲透.建筑墻體熱濕耦合傳遞研究中忽略空氣滲透對建筑墻體熱濕傳遞過程的影響將不利于準確地分析建筑墻體內的溫度和濕度分布.為了更準確地研究建筑墻體內的熱濕耦合傳遞規律，劉曉燕等[13]建立了建筑墻體熱、濕及空氣耦合傳遞模型.該模型從微觀的角度，通過定義氣體所占體積百分比與液態水所占體積百分比來分別計算水蒸汽含量和液態水含量，但是在自然條件下很難將水的物相分開測量，模型參數難以確定.另外，該模型采用室外空氣日平均溫度作為室外邊界條件，不能充分反應室外氣候的逐時非穩態變化.本文在KUNZEL的研究基礎上，通過考慮空氣滲透，以室外氣象條件作為邊界條件，建立了一個以溫度、相對濕度和空氣壓力為驅動勢的建筑墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩態模型.通過對比該模型模擬結果與HAMSTAD驗證實例[14]，驗證了模型的正確性.

1模型的建立

本文以相對濕度、溫度和空氣壓力為驅動勢，根據能量守恒和質量守恒定律建立墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩態模型，并作如下假設：1）材料骨架是一個固定的、不變形的惰性骨架，不與液相、氣相發生化學反應；2）墻體材料為各向同性的連續多孔介質；3） 溫度對材料平衡含濕量的影響忽略不計；4）墻體材料中的水只有汽、液兩相，材料中始終存在局部濕平衡；5）孔隙內的混合氣體（濕空氣）按理想氣體處理； 6）多層墻體層與層之間的濕傳遞主要受邊界濕傳遞阻的影響，如果不同層之間接觸十分緊密，則濕阻較小，可認為這兩種材料的邊界表面處于濕平衡狀態.

1.1濕傳遞

2模型求解

建筑墻體內熱、空氣、濕傳遞過程相互耦合，為了獲得墻體內的溫度和濕度分布，控制方程組需同時求解.本文采用有限元方法對控制方程組進行求解.時間步長可根據實際邊界條件確定，本文將時間步長設定為1 h.

3模型驗證

HAMSTAD驗證實例是為了評價建筑物理領域熱、空氣、濕傳遞機理模型而建立的一個開放性平臺.對比新建模型模擬結果與HAMSTAD驗證實例是目前國際公認的建筑墻體熱、空氣、濕耦合傳遞模型驗證方法.

HAMSTAD包含了5個驗證實例，每個驗證實例至少包含熱傳遞、濕傳遞及空氣滲透機理中的兩項.本文通過對比新模型模擬結果與HAMSTAD驗證實例3和5來驗證模型的正確性.

3.1HAMSTAD驗證實例3

如圖 1～圖 6所示，新模型模擬結果與HAMSTAD驗證實例吻合良好，該模型能準確地預測建筑墻體內的溫度和濕度分布.圖中CTH， TUD， Technion和NRC表示參與HAMSTAD項目的其它研究機構的模擬結果，新建模型模擬結果表示本文所提出模型的模擬結果.

如圖1，3，5所示，在20～21 d之間，由于壓力梯度方向的改變，室外低溫空氣向室內滲透，墻體內溫度迅速下降，快速接近室外空氣溫度.同樣，如圖2，4，6所示，由于室外空氣的含濕量低于墻體內的含濕量，室外空氣向室內滲透的過程中帶走大量的濕，墻體內的含濕量快速降低.由此可見，建筑材料孔隙內的空氣對流，對建筑墻體的熱濕性能有重要的影響.

4結論

本文在Kunzel的研究基礎上，通過考慮空氣滲透，建立了一個以溫度、相對濕度和空氣壓力為驅動勢的建筑墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩態模型，并采用有限元方法對該模型進行求解.該模型模擬結果與HAMSTAD驗證實例吻合良好，結果表明該模型能準確地預測熱傳遞、濕傳遞及空氣滲透機理作用下建筑墻體內的溫度和濕度分布.

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