墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型及验证

刘向伟　陈国杰　陈友明

摘要：为了更准确地预测墙体内的温湿度分布，研究多孔介质墙体内的热、湿及空气耦合非稳态传递规律，以温度、相对湿度和空气压力为驱动势，考虑热传递、湿传递、空气渗透及其相互作用，建立了建筑多孔介质墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并采用有限元方法设计了相应的模拟计算程序.通过对比新建模型模拟结果与国际公认的HAMSTAD标准验证实例，验证了模型的正确性.

关键词：建筑墙体；非稳态；热、空气、湿耦合传递；含湿量；相对湿度

中图分类号：TU111.4 文献标识码：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

建筑墙体多为多孔介质材料，建筑墙体热湿传递研究以多孔介质传热传质学为理论基础.Philip 与Devries[1] （1957年） 和Luikov[2] （1966年） 以温度和含湿量为驱动势，考虑多孔介质内热传递、湿迁移及其相互作用建立了多孔介质热湿耦合传递模型.在Philip与Devries和Luikov模型的基础上Kunzel[3]， Kong[4]， Chu[5]， Abahri[6]， Leskovsek[7]， Zhong[8]， Belarbi[9]， Qin[10]，李魁山[11]和郭兴国[12]等各自建立了多孔介质材料的热湿耦合传递模型.空气渗透对热湿传递过程的影响在上述研究中均未考虑.

建筑墙体长期暴露在非稳态气候条件下，由于室内外环境存在温度、湿度及空气压力梯度，这将导致墙体内的热传递、湿迁移及空气渗透.建筑墙体热湿耦合传递研究中忽略空气渗透对建筑墙体热湿传递过程的影响将不利于准确地分析建筑墙体内的温度和湿度分布.为了更准确地研究建筑墙体内的热湿耦合传递规律，刘晓燕等[13]建立了建筑墙体热、湿及空气耦合传递模型.该模型从微观的角度，通过定义气体所占体积百分比与液态水所占体积百分比来分别计算水蒸汽含量和液态水含量，但是在自然条件下很难将水的物相分开测量，模型参数难以确定.另外，该模型采用室外空气日平均温度作为室外边界条件，不能充分反应室外气候的逐时非稳态变化.本文在KUNZEL的研究基础上，通过考虑空气渗透，以室外气象条件作为边界条件，建立了一个以温度、相对湿度和空气压力为驱动势的建筑墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型.通过对比该模型模拟结果与HAMSTAD验证实例[14]，验证了模型的正确性.

1模型的建立

本文以相对湿度、温度和空气压力为驱动势，根据能量守恒和质量守恒定律建立墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并作如下假设：1）材料骨架是一个固定的、不变形的惰性骨架，不与液相、气相发生化学反应；2）墙体材料为各向同性的连续多孔介质；3） 温度对材料平衡含湿量的影响忽略不计；4）墙体材料中的水只有汽、液两相，材料中始终存在局部湿平衡；5）孔隙内的混合气体（湿空气）按理想气体处理； 6）多层墙体层与层之间的湿传递主要受边界湿传递阻的影响，如果不同层之间接触十分紧密，则湿阻较小，可认为这两种材料的边界表面处于湿平衡状态.

1.1湿传递

2模型求解

建筑墙体内热、空气、湿传递过程相互耦合，为了获得墙体内的温度和湿度分布，控制方程组需同时求解.本文采用有限元方法对控制方程组进行求解.时间步长可根据实际边界条件确定，本文将时间步长设定为1 h.

3模型验证

HAMSTAD验证实例是为了评价建筑物理领域热、空气、湿传递机理模型而建立的一个开放性平台.对比新建模型模拟结果与HAMSTAD验证实例是目前国际公认的建筑墙体热、空气、湿耦合传递模型验证方法.

HAMSTAD包含了5个验证实例，每个验证实例至少包含热传递、湿传递及空气渗透机理中的两项.本文通过对比新模型模拟结果与HAMSTAD验证实例3和5来验证模型的正确性.

3.1HAMSTAD验证实例3

如图 1～图 6所示，新模型模拟结果与HAMSTAD验证实例吻合良好，该模型能准确地预测建筑墙体内的温度和湿度分布.图中CTH， TUD， Technion和NRC表示参与HAMSTAD项目的其它研究机构的模拟结果，新建模型模拟结果表示本文所提出模型的模拟结果.

如图1，3，5所示，在20～21 d之间，由于压力梯度方向的改变，室外低温空气向室内渗透，墙体内温度迅速下降，快速接近室外空气温度.同样，如图2，4，6所示，由于室外空气的含湿量低于墙体内的含湿量，室外空气向室内渗透的过程中带走大量的湿，墙体内的含湿量快速降低.由此可见，建筑材料孔隙内的空气对流，对建筑墙体的热湿性能有重要的影响.

4结论

本文在Kunzel的研究基础上，通过考虑空气渗透，建立了一个以温度、相对湿度和空气压力为驱动势的建筑墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并采用有限元方法对该模型进行求解.该模型模拟结果与HAMSTAD验证实例吻合良好，结果表明该模型能准确地预测热传递、湿传递及空气渗透机理作用下建筑墙体内的温度和湿度分布.

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