建筑室内湿空气流动输运机理综述

陈文昌李朝军蔡玲玲赵福云，2王汉青寇广孝

1湖南工业大学土木工程学院

2武汉大学动力与机械学院

建筑室内湿空气流动输运机理综述

陈文昌1李朝军1蔡玲玲1赵福云1，2王汉青1寇广孝1

1湖南工业大学土木工程学院

2武汉大学动力与机械学院

长期以来，室内通风条件下热湿耦合迁移机理没有被清楚认识，导致了建筑能耗的提高和室内空气品质的降低。建筑室内湿空气迁移是外部环境与内部环境耦合产生的温度场、湿度场等多场相互作用的结果；另外伴随着室内湿空气水分蒸发与冷凝过程的作用，其室内环境迁移机制更趋复杂。本文综述了室内水分迁移、蒸发和结露等各类数学模型，并提出了未来需要重点研究的基础问题；这些研究将对于南方热湿地区充分利用自然通风、降低建筑能耗等具有重要意义。

水分迁移 蒸发与结露 建筑节能 自然通风

人的大部分时间都是在室内度过的，良好的室内环境对人的健康至关重要。室内热湿传递对室内环境影响很大，要从机理上去探索室内热湿耦合传递机理，必须通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对温度梯度和水分浓度梯度等多场相互作用下的室内热湿传递进行分析研究，分析驱动力之间的相互作用以及对热湿传递的影响。本文从室内湿空气水分迁移的理论分析模型，数值模拟研究，自然通风或自然对流水分迁移研究，冷凝与蒸发相变过程研究等四个方面，综述了温度梯度和水分浓度梯度等多场作用下室内湿空气流动输运机理，提出了未来需要重点研究的基础问题。

1　室内湿空气水分迁移理论分析模型

室内相对湿度变化主要是由湿空气迁移引起，同时建筑围护结构热湿物性、换气次数、室内热湿源的散发等作用也是不可忽略的。水分积累是影响围护结构的绝热性、绝湿性、耐久性等性质的一个重要因素，墙体间隙冷凝是对围护结构影响最明显的一种水分积累宏观现象。1990年以前建筑围护结构水分迁移研究大多停留在实验经验上，没有一套理论方法验证实验的正确性，同时经验性的解决方法衍生了许多不确定传递系数。从围护结构和室内相对湿度来看, Trechsel[1]提出水分运输的四种形式：水蒸气运输（比如由于水蒸气压力差引起的扩散，如图1所示）、液体运输、固体运输、吸附物运输，湿空气吸收水蒸气的量与湿空气的温度密切相关，当湿空气温度高时，其吸收的水蒸气多；当湿空气温度低时，其吸收水蒸气少。根据室内湿空气发生冷凝结露与否，Cunningham[2，3]建立了由空气渗透、水蒸气扩散和材料非稳态下吸放湿三者之间相互作用的水分平衡模型。将水蒸气当作理想气体，室内水分平衡方程：

式中：V是腔体体积，m3；C是空气水分浓度，kg/m3；m是吸放湿材料中水分浓度，kg/m3；p是水蒸气分压力，Pa；Ai是水蒸气从室外流向室内的有效表面积，m2；Am吸放湿材料的有效表面积，m2；F是空气换气次数；h是吸放湿材料平均蒸汽传导率，kg/(N·s)；K是吸放湿曲线的平衡常数，m2/s2；i，o分别代表室外、室内。

图1　由于水蒸气分压力差引起的水分迁移

当室内外水蒸气分压力差、室内换气、吸放湿材料三者引起的水分迁移达到稳态时，通过理论分析解决三类模型问题：稳定状态模型，阶梯函数模型，阶段气候驱动力模型，得出不同状态的室内水分浓度函数。Rousseau[4]和Cunningham[5～6]在此基础上通过分析提出引起室内墙体间隙冷凝的四大因素：驱动力（外界气候）、温度梯度、水蒸气浓度、湿传递路径，当墙体部件中某点的水分浓度由于水分的移动和扩散积累，大于该点温度对应下的饱和水分浓度时，间隙冷凝开始形成；同时阐述了墙体发生间隙冷凝的条件以及预防有害冷凝发生的措施。墙体间隙冷凝对围护结构有很大的危害，一般通过设置空气阻滞层和绝热层降低墙体间隙冷凝程度，减弱其对室内环境的影响。

后来，Cunningham[7]通过对上述模型[2～3]进一步改进，增添湿源作用，得腔体内水分平衡方程：

式中：g是湿源质量传递系数，kg/(N·s)；Pg是湿源蒸发表面水蒸气分压力，Pa；其他参数同式（1）。从理论上引入线性干燥速度和干燥时间常数，对水分浓度函数进行简化得：

式中：co是腔体水蒸气浓度，kg/m3；Co腔体最初水蒸气浓度，kg/m3；是水蒸气平均浓度，kg/m3；C、D是无量纲参数；t是时间，s；t1、t2是无量纲时间常数。

对新模型进行简化时，有许多采取平均值以及电路循环类比的方法确定水分运动的阻力形式，这种简化思想是很重要的。将这种数学模型运用推广到其他环境下，也是很有意义的。虽然一些关键参数的简化处理限制了模型的使用范围，但是它为以后的研究者提供了一个良好的模型平台。

2　室内湿空气水分迁移数值模拟研究

随着计算机科技的进步，计算流体力学的蓬勃发展，数值模拟计算成为研究流体流动规律的一个重要工具。结合理论分析，实验测量与数值模拟计算三种方法，流体流动的探索研究更加具有可操作性，验证性。陈友明等人[8]通过将围护结构热传递过程和建筑内表面吸放湿过程作为两个独立过程进行拉帕拉斯变换和相应函数变换，假设室内空气混合充分和室内壁面及各物体间温差较小，忽略它们之间的辐射，得单一常微分方程描述室内能量和水分的平衡方程：

式中：ρa为空气密度，kg/m3；Ca为空气比热容，J/(kg·K)；Tin、Tout为室内外空气温度，K；P为空气总压，Pa；Xin、Xout为室内外空气含湿量，kg/kg；Qin室内产热量，W；Win为室内产湿量，kg/s；Q为空调设备供热量，W；Wc为空调设备除湿量，kg/s；Vv为换气量体积，m3/s；Vin为室内空气体积，m3；Pin为室内空气水蒸气分压力，Pa；S为室内放湿表面面积，m2；J为室内传热面总数；Qr为室内表面吸放湿过程吸收或释放的热量，W。

以传递函数形式描述围护结构传热和吸放湿过程，建立模拟室内条件及其相关负荷的动态模型，并用该模型对一个内贴石膏板房间进行热湿耦合传递模拟分析，结果表明：建筑内表面吸放湿过程对室内湿度具有非常明显的调节作用，可减小室内湿度的变化幅度，对空调潜热负荷有较大的影响。

围护结构的吸放湿特性与室内热湿环境是相互影响的。围护结构的吸放湿功能能够缓和室内相对湿度变化，起到调节室内热湿环境的作用；室内热湿环境又影响围护结构的吸放湿特性，两者之间是密不可分的。苏向辉和昂海松[9]通过建立沿墙厚度水蒸气压力和相对湿度分布、水蒸气流量及湿积累量的数学模型，研究发现墙内相对湿度最大值点随空气渗透率变化，墙内外表面的相对湿度、室内温度、渗透率以及空气的渗流速度是影响墙内湿迁移的主要因素。Lu[10]从理论上采用有限元法分析室内湿空气迁移问题，发现建筑室内水分流动主要由换气、壁面水分扩散、湿源散发等引起。Tenwolde等人[11]通过实验方法和理论分析的方法，研究室内热湿源对水分散发的影响。结果表明湿源的水分散发速度一般不是常数而是随着室内湿度变化的（如图2所示[11]）。王军等人[12]采用不可逆热力学分析，结合室内温度水平和污染物气体浓度水平，分析了湿度影响下的交叉扩散特征与水平。Qin等人[13]对以热湿气候为代表的中国香港和温和气候为代表的法国巴黎进行研究，建立整个建筑热湿传递平衡方程：

式中：ρ为材料密度，kg/m3；CP为材料比热，J/(kg·K)；A为表面面积，m2；αj是热传递系数，W/(m2·K)；T0是外部空气温度，K；Ti是室内温度，K；Qsol为由于太阳辐射的热流量，W；n是换气速度，1/h；Qin是室内的热源（人、照明、设备），W；Qvent由于通风引起的热流量，W；Vo是外部空气的水气汽浓度，kg/m3；gin,j是从内表面进入房间的水分流量，kg/(s·m2)；Mprod、MHVAC、Mven分别是代表水分产生量，kg/h；由于通风和空调引起的水分流量，kg/h。

图2　室内湿源的散发

研究表明建筑墙体内的水分传递和墙体内外表面的水蒸气吸收和释放作用对室内湿度影响很大。建筑材料对水分吸收可以缓解室内相对湿度变化，预热和预冷对建筑供冷供热有很大的节能效果。付传清[14]根据Fick定律和质量守恒定律，研究提出围护结构混凝土中湿度场的分布对氯离子的分布影响显著。闫幼锋等人[15]以三种常用围护结构材料（土壤、竹子、砌筑体）为研究对象，发现围护结构材料层恰当布置，对防止其内部冷凝和表面结露有重大意义。刘京等人[16]利用日本教授松本卫等提出的热水分同时传递理论，建立考虑建筑材料吸放湿状态计算模型，对建筑室内相对湿度场变化进行模拟。研究结果表明环境温湿度变化时，由于建材吸放湿功能，能够自动缓和室内湿度变动，起到调节室内湿环境的作用，室内温湿度的变化对建材的吸放湿特性也有很大影响。

3　自然对流或自然通风室内湿空气水分迁移研究

在建筑通风模式中，自然通风是一种既普遍又经济的通风模式。自然对流的两大驱动力：热烟羽和湿烟羽。热烟羽是室内温度差引起，湿烟羽是室内水分浓度差引起。Wee等人[17]通过模拟二维封闭矩形腔体自然对流作用下的热湿传递，发现温度梯度引起的对流较水分浓度梯度引起的扩散效果强，温度梯度增加对湿传递有很大的增强作用，而水分浓度梯度增加对热传递没有显著增强作用。当温度梯度和水分浓度梯度方向一致时，流体流动增强，热湿传递速率加快；当两者相反时，流体流动减弱，但是温度梯度起主导作用。Costa[18,19]也进行了相似的研究工作，在正方形和平行四边形腔体中，耦合了墙体热质传递，模拟发现腔体内流场结构基本相似。当腔体几何比例小于1时，随着倾斜角度增大，努塞尔数Nu和舍伍德数Sh先增大再减小，有最大值。努塞尔数Nu和舍伍德数Sh的最大值与倾斜角θ、几何比例H/L具体的函数关系，是一个很有意义的研究方向，因为努塞尔数Nu和舍伍德数Sh直接代表腔体热湿传递速率。温度梯度与水分浓度梯度的相互作用是紧密联系的，彭昊[20]通过研究发现热迁移和质迁移是相互影响的，水分不仅在质迁移势梯度作用下发生迁移，而且在温度梯度影响下同样发生迁移，这称为水分的热扩散。汲水[21]认为湿度梯度和温度梯度对室内挥发性有机化合物(VOCs)迁移和扩散过程有显著影响（如图3所示[21]），由于温度梯度差产生自然对流，靠近壁面的流体被加热，密度减小，产生浮升力，向上运动；靠近冷壁面的流体被冷却，密度增大，向下运动，在整个腔体内形成环流。当热浮升力和湿浮升力与污染物浓度浮升力方向一致时，相互加强；反之，相互消弱。

图3　热浮升力与湿浮升力的相互作用

自然对流下温度梯度和水分浓度梯度的相互作用，在封闭腔体与非封闭腔体模型中呈现相似的规律。赵福云等人[22]通过模拟研究当周围环境与室内温湿度呈四种不同工况（热湿、热干、冷干、冷湿）时的湿空气流动，发现当湿浮升力与热浮升力比值N远小于1时，自然对流强度在外界环境温度低时较强，在外界环境温度高时较弱。当N接近于1，外界环境为热干、冷湿时，两种驱动力方向相反，相互抑制，降低了腔体内的热湿传递强度；当外界环境为热湿、冷干时，两种驱动力方向相同，相互促进，增强了热质传递强度。在我国南方湿热地区，夏季高温高湿，对应模型中热湿工况，虽然热浮升力与湿浮升力方向相同，流体流动有促进作用，但自然对流强度较小，且在腔体垂直方向温度梯度和水分浓度梯度都很大，对室内热舒适度有不利影响。上述研究[22]对研究我国南方夏季闷热潮湿地区的水分迁移机理有很大的帮助。刘娣等人[23]结合墙体与非封闭腔内流体热湿扩散系数比值模拟研究发现：当热浮升力与湿浮升力方向相同时，腔体内流动强度和体积流动速率都随着墙体厚度的增加而减小，体积流动速率随着瑞利数Ra的增大而增加，然后达到最大值。

自然对流热湿传递模型是实际生活中最常见的一种模型，无论是封闭还是非封闭腔体研究对提高室内热舒适度都有重大的意义。结合主导驱动力和建筑结构的热湿物理性质，研究建筑室内湿空气自然对流传递规律，对提高室内舒适度、降低建筑能耗有着十分重大的意义。

4　室内湿空气冷凝与蒸发相变过程研究

目前许多研究只是针对水分迁移规律进行探索，而忽略了水分最重要的物理性质——相变。水分相变最常见的两种形式：蒸发与冷凝。当水分迁移未考虑冷凝结露时，计算出该点水分浓度超过该点温度对应的饱和浓度，则认为模拟计算不合理，须重新调整边界条件。这种方法不仅在实际工程中有很强的可行性，而且同样适应模拟中水分结露的判断。

吕琳等人[24]针对香港某体育馆出现的滴水问题，进行了理论研究和实测数据采集分析，发现湿热地区夏季湿空气在屋顶多孔保温材料层中迁移会导致冷凝结露，冷凝水长期积聚会腐蚀和破坏围护结构，增大空调负荷。Gorelik等人[25]根据平均自由路线法和直接统计模拟法，从理论上研究水分穿过多孔板到真空环境的蒸发与冷凝热湿传递过程，发现冷凝系数减小时，气体蒸发速率受到抑制，潮湿面积减小，但是冷凝强度增加。因为水分子在一个更加狭小区域内被吸收。多孔固体表面厚度越薄，水分的蒸发过程与敞开面蒸发越相近。当多孔固体板与热湿源温差增大时，气体蒸发增加，反之，气体蒸发减弱。后来，Bouddour等人[26]将气体看成干空气和水蒸气的组成，假定气液两相接触面的蒸发速度为蒸气的质量分数乘以蒸气相流动速度，根据准则数级数，和多孔介质的孔径大小以及均化方法的适应范围，从理论上提出了多孔介质热湿传递冷凝-蒸发模型方程：

式中：ng为气态相的多孔率（无量纲）；ρg0为气体密度，kg/m3；wv为蒸气质量分数（无量纲）；vgioeff为气相宏观速度，m/s；x为空间变量（无量纲）；Dij*为有效扩散张力，m2/s；qvΓgL是单位体积的蒸汽源项，kg/(m3·s)。这对多孔介质中水分传递理论计算和数值计算以及蒸发-冷凝模型简化都有巨大的指导意义。

水面的蒸发-冷凝产生的热湿传递对腔体内的热湿分布有着直接的影响。Yan等人[27]发现自然对流下湿墙表面的热传递主要依靠水膜表面蒸发和冷凝产生的潜热，蒸发和冷凝潜热交换对整体热量交换影响很大，从而影响壁面含湿量的变化。刘京等人[28]通过假设水面向周围环境的热流量和水分流量为常数，发现水分相变引起的热量变化远大于对流以及传导等作用引起的热传递，水面热湿传递速率与水面面积无关，而与换气次数和压力梯度差有关。水面温度的增加或者周围空气温度的降低都会增加水面上的热湿传递强度。

水分蒸发-冷凝与室内通风模式同样也是相互联系的。Asbik等人[29]以一个充满饱和多空介质，左边壁面设置水分渗透速度，考虑顶面热辐射和蒸发热流量作用的二维腔体模型为研究对象，数值模拟腔体顶面的蒸发速度，以格拉晓夫数Gr与雷诺数Re的比值（0.1，1，100）来判定腔体内流动状态（强制、混合、自然对流），发现辐射热与传导热比值的增加会增大腔体顶面水分的蒸发速度，且自然通风情况下水分蒸发速度最快。由湿源表面水分的蒸发作用引起热量和水分浓度的变化，对室内热湿耦合传递模型的计算带来了很大的影响，同时影响到室内的热湿分布。

结合通风模式和水面蒸发作用的热湿耦合传递的模型提高了研究的应用性和准确性。刘京等人[30，31]通过建立计算结露量动态形成过程的CFD数学物理模型，演示了壁面水分结露非稳态的全过程。研究结果发现，室内通风量以及通风方式的改变都会对室内水分冷凝的程度产生很大的影响。通风量增加或通风方向与湿烟羽方向相反时，室内结露面积减小，结露程度降低。通风口的合理布置对减小冷凝的风险，意义重大。刘京等人以非封闭腔体为研究对象，考虑热湿耦合传递作用，分析了通风模式对水分蒸发-冷凝作用的影响。虽然主体思想易懂，但要编辑模拟计算程序，这需要非常深的编程功底。因为传统的CFD不能或者很难模拟壁动态结露现象，必须修改计算程序和边界条件，这是一项任重而道远的课题。

目前许多研究者都是通过数值模拟结果被动地去探寻壁面发生冷凝的过程，很少能从理论上推导出壁面冷凝结露发生的时刻和程度。马晓钧[32，33]通过提出可及度概念，采用集总参数方法，以标准办公室为例，从正面推导出壁面发生结露的初始时刻。当房间流场固定时，通过分析各个因素的作用强度，将各个边界及初始条件等因素对室内某一时刻含湿量的影响程度定义为该时刻的可及度，并提出了室内含湿量瞬时分布规律的代数表达式：

式中：D是含湿量，g/kg；a是可及度（无量纲）；N，n是总数量，计数（无量纲）；J是质量通量，kg/s；Q是房间通风量，m3/s；τ是时刻，s；Y是响应系数（无量纲），并以暖通空调领域中最为常见的防结露问题进行分析，发现水蒸气由于壁面凝结放出的热量以及水分浓度场的变化对流场影响很小，可忽略不计。

壁面凝结不会引起壁面温度的变化，同时固体表面水蒸气分压力和露点温度对应的饱和含湿量保持不变。根据对结露发生机理的透彻理解，马晓钧改进模型边界条件和设置可及度，可以准确地寻找到开始出现结露的位置和时刻，这对研究壁面结露问题具有深远的意义。

从蒸发-冷凝理论模型推导到实际模型的数值模拟，从单一考虑传导和对流作用，到考虑辐射、传导、对流等多种传递方式作用，从单一自然对流到多种通风模式模拟，从被动寻找结露点到主动发现结露发生时刻，从模拟稳态结露量到非稳态结露积累量，室内热湿耦合模型的研究得到不断完善。探索室内湿空气迁移机理，对解释空间冷凝的发生原因和确定开始发生冷凝的时间，有着十分重大的意义。

5　结论与展望

1）室内空气温度梯度直接影响和作用空气的湿传递性能；当温度梯度和水分浓度梯度的方向相同时，流体流动强度增加，空气湿传递性能增强；反之，流体流动强度减弱，传湿性能得到抑制。当室内热瑞利数Ra较低时，对流作用较弱。

2）水分蒸发与结露的潜热和显热对壁面的热传递有很大的影响；水分相变携带的热量远高于空气对流和传导的作用，其会影响到室内空气温度分布，从而影响到水分迁移的驱动力。

3）室内通风量和通风方式都会直接影响到室内壁面湿空气冷凝的强度。通风量增加或者通风方向与湿烟羽方向相反时，室内的结露面积减小，结露程度减弱。通风口合理布置对降低壁面冷凝风险，意义重大。

4）目前已有的关于室内热湿环境的研究，大多没有考虑湿空气蒸发或结露过程，这也限制了目前既有的室内热湿耦合传递模型的适用范围。通过探讨建立蒸发-冷凝耦合模型，扩大室内热湿耦合传递模型的适用范围，将有助于深入理解南方热湿地区湿空气调节机制。另外，探讨自然通风状态下室内热湿耦合机理、探讨如何利用自然通风满足人们热舒适需求等都是现在急需研究的重要课题。

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Literature Review on the Moist Air Transports Inside Indoor

CHEN Wen-chang1,LI Chao-jun1,CAI Ling-ling1,ZHAO Fu-yun1,2,WANG Han-qing1,KOU Guang-xiao1
1 School of Civil Engineering,Hunan University of Technology
2 School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University

Indoor air,thermal and moisture transport under the situation of building ventilated flows have not been well understood in the long time,which has resulted in the increase of the building energy consumptions and the deterioration of the indoor air quality.Indoor air moist air transport was due to the combined temperature and moisture differences of indoor and surrounding environment,accompanying with more complicated moisture evaporation and condensation. This manuscript has conducted a detailed literature review regarding the mathematical models of indoor air moisture transport,evaporation and condensation.Finally,several important research highlights and development have been presented for the future research.Thermal and moisture transport inside the natural ventilated enclosures should be investigated in the future,aiming to enhance the utilization of building natural ventilation and reduce the building energy consumptions in the southern regions of high temperature and high moisture.

moisture transport,evaporation and condensation，building energy conservation,natural ventilation

1003-0344（2015）06-037-6

2014-05-03

陈文昌（1989～），男，硕士研究生；湖南省株洲市天元区湖南工业大学土木工程学院（412007）；E-mail:CHENWENCHANG1234@163.com

湖南省杰出青年基金（No.14JJ1002）；国家自然科学基金（No.51208192）；国家自然科学基金（No.51304233）；中组部青年千人计划专项；科技部十二五科技支撑计划子课题（2011BAJ03B07）