WUFI Pro热湿模拟软件的应用及评价∗

翟志文 王晓欢 费本华

建筑围护结构热湿性能是建筑物理研究的重要内容。水分对于古建筑以及新建建筑构成的影响不容忽视[1]：不适宜的水分状态，可能导致建筑部件乃至结构的破坏[2-3]；热湿性能影响着整体建筑的能耗水平[4-5]。此外，热湿也与健康密切相关，一定温度条件下，较高的相对湿度会增加霉菌生长的可能性，可能会导致居住者出现过敏症状，某些菌类甚至含有毒素，更会对健康产生严重影响[6-7]。

为了减少由于热湿带来的负面影响，需要一种可靠、方便的计算分析工具，在设计阶段重点考虑避免问题产生，或对已有建筑进行分析维护以降低危害。在过去的几十年里，多种模拟软件被开发出来，如DELPHIN、 MOIST 、hygIRC及WUFI等[8-12]。WUFI(瞬态热湿传送)作为建筑领域有关热湿模拟的专业软件，在国外广泛用于科研及实践，但国内因技术原因研究人员目前对该软件研究较少，尚未进行实际应用。

1 简介

WUFI（瞬态热湿传送模型）是由德国弗朗恩霍夫建筑物理研究所（FIBP）开发的，在一定的蒸汽压力或含水率梯度下，基于Fick（菲克定律）建立水蒸气传递模型，基于Darcy（达西定律）建立液态水传送模型，已被证实可以用于广泛的建筑材料，包括工程木质材料如胶合板、刨花板等[13-16]。WUFI家族可以分为两大类，四种产品。WUFI Pro应用于建筑单一或多层复合结构如墙体、屋顶等的一维热湿模拟；WUFI2D在WUFI Pro的基础上进行了另一维的扩展，适用于评估具有更为复杂几何形状的结构，如建筑拐角，窗户连接，基础界面等；WUFI Plus是WUFI家族最为复杂的成员，侧重于获得健康舒适居住环境的室内条件及能耗分析,其计算输出结果可以用于评估所分析建筑是否达到被动式要求；WUFI Passive则是针对被动式建筑进行相关计算机分析。总的来看，前两者用于建筑部件热湿分析，后两者用于整栋建筑热湿及能耗分析[17]。

2 建模

在进行热湿模拟计算之前，需要根据研究目的，确定结构形式，设置计算方法，确立边界条件。

2.1 墙体构建

首先需要确定研究的墙体结构，由几层构成，每层使用的材料及其尺寸。之后将墙体在软件图形界面（图1）中以增减层的方式构建，并以一维形式显示出来。需要注意的是，为了正确地进行模拟计算，必须输入组成墙体的各层材料的相关材性数据，如容积密度、孔隙率、比热、导热系数、水蒸汽扩散阻力系数、水分储存函数（等温吸放曲线）、液态水传送系数(吸收和分布)等。软件自带的数据库包含了多种建筑材料的材性数据。使用数据库中的材料，则材性数据可直接使用。部分建筑材料的材性数据可以从有关研究机构公开发表的文献中查得。对于新型建筑材料，或缺少有关材性数据的，则需要通过试验测试获得。为保证模拟结果的准确性，相关检测需要依据指定的标准进行。根据研究的侧重点，有关材性数据的检测也可酌情简化或忽略[1]。如关注的重点为水分传递和分布，则比热可直接使用软件推荐值，导热系数可直接使用绝干状态值。

墙体各层设计完成后，软件将自动生成网格图，网格的分布是热湿传递公式的计算基础。网格图由上下两部分构成，上面的对应墙体整个厚度方向的各层，下方的网格图则是选定层的局部放大。系统默认的网格划分有错略、中等及精细三个级别，应用于不同的情形。受墙体构造形式、建筑材料、边界条件的影响，有时墙体沿厚度方向会存在较大的温湿梯度、温湿分布曲线曲率明显，此时的网格划分需足够的精细以反映真实的状态。若默认的精细网格仍不能满足要求，则可手动进行网格划分。网格图也是监测器布置的依据，在每层对应的网格放大图中，根据需要布点，监测点的有关热湿指标将在最终的模拟结果中显示出来。此外，为更贴切的模拟实际使用情况，软件也提供了有关水、热、空气交换源，通过网格在适当位置安放。

图1 墙体构建Fig.1 Wall constructing

2.2 计算设置

在软件中完成墙体设计后，还需要进行一些设置，为后续计算做准备。建筑物在实际使用中会受太阳辐射及降雨的影响，需要对墙体的方位、倾角以及高度进行设置（图2）。针对墙体朝向，系统默认给出了8个方位。倾角是墙体相对于水平面的角度，在0～90°之间（0°对应平屋顶）。这两者的设置均影响到入射到墙体的辐射和雨水量。进一步的，为了更为准确的反应墙体的实际受雨量，软件引入了两个系数，通过公式估算任意方位及角度墙体的受雨量。

表面传送系数反应的是墙体与周边环境的热湿交换程度。对于墙体外表面，需要根据实际情况来确定热阻值，有无短波和长波辐射等。墙体内表面的设置则相对简单，根据使用材料选择默认的热阻值。

图2 计算设置Fig.2 Calculation setting

墙体的初始温湿条件也是计算不可缺少的部分。湿度的设置有三种方法：固定值，给出相对湿度值，通过湿度储存函数自动计算出各层的含水率；单层输入法，在表格中输入各层的初始含水率；导入法，从ASCII文件中自动导入，该文件必须由两列构成，第一列显示位置，第二列对应含水率。温度的设置有两种方法，输入某一温度值及从文件读取。

在完成上述设置后，需要进一步设定模拟计算的起始时间及步长。WUFI将基于时间步长计算出相应时间段内各监测点相应量的变化过程。起始及结束时刻点的各指标沿厚度方向的分布状态也将自动输出，可根据需要酌情增加观察时刻点。时间步长为软件执行相邻两次计算的间隔时间，步长不能大于气象数据的记录时间间隔。最后，按照具体研究任务，确定计算模型，热计算、湿计算或热湿同步计算。通过选择特定项，还可单独研究传热系数、毛细管传导等。

2.3 边界条件

墙体构件将处在一定的室内外环境中。降雨、辐射、外界温湿等将直接作用于墙体外表面，一定的室内温湿条件也同样作用在墙体内表面上。综合起来，这些边界条件将极大地影响墙体的热湿行为[18]。在模拟计算中，势必也需要将这些因素考虑在内。反应到模型中，需要给与模型左右两侧一定的边界条件。

在一维模型中，左侧代表墙体外表面，右侧代表内表面，左右两侧的边界条件可以从气象文件中读取，一般以小时为读取步长。右侧的边界条件有时可以按照有关标准（EN 13788、EN15026、ASHRAE160）基于左侧边界条件计算得出。需要注意的一点是，包含降雨及辐射的气象条件只能应用左侧，即墙体外表面。当为左侧选定一定的气象条件后，会自动以曲线图显示出来，还可以对输入的气象数据进行自动分析，使研究人员对于气候条件有直观的认识，如温度、相对湿度的极值及平均值，年降雨、辐射总量及方位部分等。对于有些情况，无需考察边界的短期波动，只需要反应长期的一个趋势，则只需建立温度、相对湿度正弦函数作为输入条件，有时甚至可以使用固定值。

WUFI计算墙体瞬态热湿分布，对应每一个计算时间点，气候条件需要包含入射墙体外表面的雨速[Ltr/(m2h)]，太阳辐射（W/m2），环境空气温度（℃）及相对湿度（%），室内空气温度（℃）及相对湿度（%），气压(hPa)，长波大气逆辐射（W/m2）等。这些气候条件可以来源于真实监测的气象数据，也可以人为设定（如进行实验室研究）。WUFI主要应用于研究建筑构件暴露在自然环境的热湿行为，所以更多时候采用的是实测气象数据[19]。需要注意的是，关于降雨和辐射，一般气象数据提供的是相对水平面的指标，而WUFI计算则需要垂直于墙体外表面的相应量，需要根据风速、方位等进行换算。当研究人员可以提供出*.WAC、*.WET、*.TRY、*.DAT及*.IWC等格式的气象文件时，转换将作相应的处理。IBP及有关研究机构提供了众多区域的典型气候条件，可以直接使用。

3 计算和输出

3.1 计算

模型构建完成后，启动计算。软件提供了两者计算模式，一种是快捷计算，按照设计的时间步长读取边界条件，直至显示最终结果；另外一种是伴有影像显示的计算，WUFI所执行的每一次计算，结果都将以图形呈现出来，研究时间段的整个计算过程以动画记录下来。

3.2 输出

具体来看，软件的输出结果可以归结为以下三类：

1）在准备阶段，需要指定墙体结构内部需要观测的点，对于多层结构墙体，层与层交接处一般会设检测点，通过计算，可以获得待观察位置相关量或指定层平均量随时间的演变过程，如围护结构内外表面的热通量密度，观察点的温度和相对湿度，以及指定层或整体结构含水率的变化等。

2）通过读取特定时刻监测点的温度、湿度、含水率，可以反应相应量在建筑结构厚度方向的分布状态。软件将自动记录起始及结束时刻的分布状态，根据需要，可以插入任意时间点。

3）相邻两次计算的时间间隔为时间步长，可根据研究目的进行设置。针对某种构造结构模拟计算完成后，软件可输出记录影像，包含所有以步长进级时间点的相关量的分布状态。通过以上输出结果，研究人员可以进一步展开相关分析。

4 优势及局限性

4.1 优势

WUFI Pro的优势在于最大限度地接近真实环境条件进行计算分析，大量研究表明，当材性数据及边界条件等输入正确，计算设置合理时，软件模拟的结果是准确可靠的[20]。为新型材料、围护结构的热湿性能研究提供了经济、高效、准确的研究手段。为已呈现热湿问题的现存建筑提供了非破坏性的辅助分析工具。随着我国木结构的进一步发展，人们对于木结构的品质要求也逐步提高，热湿模拟作为围护结构性能的有效评价工具，对于我国发展新型木结构、以及基于不断深化竹质工程材料开发的竹结构会有积极的推动作用[21-22]。

4.2 局限性

模拟计算所需要的材性数据及边界条件有时是不容易获得的，尤其对于新型材料及气候区域，为获得可靠的结果，需要大量的基础性研究工作，这也一定程度影响了软件的使用。

5 结语

WUFI在材性数据输入准确、边界条件及计算设置合理的前提下，可以准确反映建筑处于实际环境中的热湿表现，用于居住舒适性、建筑能耗及建筑材料热湿反应特性等的分析，是高效、可靠的热湿评价工具，对于新材料的应用及新型构造的研发具有重要意义。

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