室内动态/稳态热环境下外围护结构热湿传递的差异分析

杨 兵，曹双华，余奉卓，吕 静

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

0 引言

围护结构的热湿耦合传递研究有利于提高围护结构性能、降低建筑能耗以及改善室内空气品质［1-2］。谢静超等［3］对墙体湿迁移对室内空调负荷的影响进行了对比分析，发现考虑墙体传湿时空调负荷会有所增大。陈友明、孔凡红等［4-5］发现墙体内温湿度存在很强的耦合作用，温度对湿度的影响尤为显著。墙体内外表面的含湿量受室内外条件的影响比较大，而内部的相对湿度变化速度较慢。此外，理论研究方面很多学者根据不同的假设条件和驱动势也建立了不同的传递模型和简化方法［6-7］。

在围护结构的热湿传递中，室内侧设定的环境大部分是稳态条件，而针对以人体热舒适为前提，营造的动态热环境的室内空调负荷，以及动态环境与室外实际环境相互影响下的墙体热湿耦合的研究却不多。

该文以上海某房间为模型，选取绿色室内动态热环境参数，使用WUFI系列软件进行模拟，分析动态和稳态室内热环境下房间的空调负荷与墙体热湿耦合传递的差异。

1 围护结构墙体热湿传递的模型

WUFI-PLUS软件可以进行室内热湿耦合的传递计算，也能模拟室内热湿环境以及建筑的整体能耗［8］。WUFI系列软件模拟的理论基础主要是建立传热传湿方程并进行耦合计算，房间不同区域采用不同的方程形式，以下给出室内环境的热湿平衡方程，其中包括围护结构内表面的热、湿迁移方程［3］。

室内空气热、湿平衡方程如下所示。

热平衡方程：

式中 ρ ——空气密度，kg/m3；

Cp——空气定压比热，J/（kg·K）；

V ——房间体积，m3；

T（τ）——室内空气温度，K；

τ——时间，s；

Qin（τ）——室内热源散热量，W；

Qe（τ）—— 围护结构内表面与室内空气的对流换热量，W；

QV（τ）——通风进入室内的热量，W；

Qs（τ）—— 通过门窗进入室内的太阳辐射得热量，W；

Qf（τ）——门窗渗入室内的热量，W；

QHVAC（τ）——空调供热量或供冷量，W。

本次模拟不考虑室内热源和门窗渗入室内的热量，故 Qin（τ）=Qf（τ）=0。空调时段时，换气次数取为0ACH，则通风进入室内的热量QV（τ）=0。通风时空调关闭，则QHVAC（τ）=0。

湿平衡方程：

式中 W（τ）——室内空气含湿量，kg/kg；

Win（τ）——室内湿源散湿量，kg/s；

We（τ）—— 围护结构内表面与室内空气的湿交换量，kg/s；

WV（τ）——通风进入室内的湿量，kg/s；

Wf（τ）——门窗渗入室内的湿量，kg/s；

WHVAC（τ）——空调加湿量或除湿量，kg/s。

同热平衡方程，本次模拟中Win（τ）=Wf（τ）=0。空调时段时，换气次数为0ACH，则通风进入室内的的湿量WV（τ）=0。通风时空调关闭，则WHVAC（τ）=0。

2 模拟条件

2.1 室内热环境模型

当前营造室内动态热环境有很多种方法，本文选取了绿色室内动态热环境模型［9］，该模型以当天室外温度作为参考，在26～30 ℃温度区间内，对室内空调温度进行逐时动态调节。

根据上海典型年气象数据，以6月30日（上海空调季室外最高平均温度日）为例，该日第一次温度达到26 ℃时刻约为5：00时，该时刻可作为动态模型计算的起点；温度最大值对应时刻为16：00时，该时刻可作为动态模型计算的中点；根据时间差值11 h，可选取第二日3：00时作为动态模型计算的终点。空调开启时段取8：00-22：00。根据以上参数，可得到室内全天温度曲线式为［9］：

因湿度的调整能耗较大，宜避免过多的依靠调节湿度来改善室内环境［10］。室内相对湿度可控制在40%～60%，不需按固定曲线调节。

动态热环境模型参数：由式（3）计算可得空调时段的室内逐时温度控制值，如图1所示，室内相对湿度取55%。

图1 6月30日室内动态温度曲线

稳态热环境模型参数：室内温度为26℃，相对湿度为55%。

选取6月27日-7月3日为模拟计算日，包含温湿度及太阳总辐射，不考虑降雨。模拟提前7天作为预备模拟期。8：00～22：00点为空调开启时段；其余时间关闭空调，开启通风模式，换气次数为5ACH。室内无热湿源，围护结构初始温度设定为26 ℃，初始湿度为55%。

2.2 房间模型

在WUFI-PLUS中建立上海某房间模型，尺寸为7 m×4 m×3 m。北外墙上有两扇外窗，尺寸为0.9 m×2 m。模型如图2所示。模型围护结构的构造形式与传热系数见表1和2，均满足DGJ08-205-2015 上海居住建筑节能设计规范，本次研究考虑四面外墙的热湿传递，忽略屋顶与地面的传湿［11-19］。

图2 房间模型

表2 外墙参数

3 结果与分析

表1 房间构造材料

3.1 房间空调负荷的差异

经过WUFI-PLUS的模拟，可以得到在6月27日至7月3日间稳态与动态空调下房间的逐时负荷。

图3示出模拟计算日，通过墙体进入室内的逐时湿流量。可以看出，夜间通风时，墙体表面从室内吸湿，而空调时段墙体表面向室内放湿。在动态热环境下，吸湿与放湿的湿流量都较稳态热环境下的小。

图3 墙体内表面到房间的湿流量

通过模拟计算可得，空调潜热负荷峰值点为空调开启时刻（8：00时），数值在0.5～0.7 kW之间，且稳态比动态的峰值高0.04～0.05 kW左右。其余时刻动态热环境的潜热负荷也普遍低于稳态热环境，如图4所示。

图4 室内潜热负荷的对比

图5 为模拟计算日的空调全热负荷，可以看出，动态热环境节能效果明显。动态热环境在整个模拟期间的全热负荷能耗（包括显热负荷）总计为9.44 kW/h，而稳态热环境的全热负荷为28.66 kW/h，节能率达67%。因为动态热环境的室内设计温度较高，可采用全新风的时间占比明显增大，节能效果显著。动态热环境下的潜热负荷总能耗为8.22 kW/h，稳态热环境的为10.23 kW/h，节能率为19.6%。

图5 全热负荷的对比

3.2 墙体的热湿传递差异

图6 ，7示出室外与室内的温湿度模拟结果，利用该数据系列对围护结构热湿传递进行模拟计算，可得墙体内部各点的温湿度分布。墙体热湿传递的模拟日中，每日的数据分布特性基本相似，故以南外墙6月30日的模拟数据作为分析对象，分别对墙体中央及两侧表面进行温湿度的对比分析。

图6 室内和室外温度

图7 室内外相对湿度

图8 示出墙体两侧表面和中央处的逐时温度曲线。动态与稳态热环境下，墙体内表面温度差异最大，平均高出0.92 ℃；墙体中央温度差异次之平均高出0.50 ℃；室外侧表面温度基本一致。

图8 墙体各点的温度

图9 示出墙体各点处的含湿量对比，可以看出，动态热环境下墙体含湿量基本一直高于稳态。11：00-23：00时的含湿量差异明显，墙体越靠近外侧差异越小，而24：00-10：00时的墙体内表面的含湿量差异较小，墙体内侧贴合点处和中央处均为3%。墙体外表面则无差异，在图中不列出，具体差异见表3。该变化规律受空调与通风启停影响，并与墙体传湿的释湿延迟特性有关。

图9 墙体各点含湿量

表3 稳态与动态工况下墙体各点含湿量差异

图10示出墙体两侧表面和中央处的逐时相对湿度。动态与稳态热环境下，室外侧表面和墙体中央的相对湿度差异较小。室内侧表面的相对湿度在通风阶段，动态热环境下的相对湿度小于稳态的；而在空调开启阶段，墙体内表面的相对湿度则呈现相反的趋势，即动态热环境下的相对湿度会略微大于稳态的。

图10 墙体各点的相对湿度

结合图6～9可以看出，通风期间，室外高湿气体进入室内，此时墙体内表面进行吸湿，相对湿度不断升高。吸湿过程持续到空调开启时段。而且稳态热环境下的墙体内表面相对湿度高于动态的，平均相对偏差为3%。

空调期间，墙体开始向室内放湿，而在空调开启2 h后放湿变化速度变缓慢；随后稳态热环境下的墙体内表面相对湿度小于动态的，平均相对偏差为2%。由于室内相对湿度设定值一致，使墙体内表面相对湿度差异很小，差值在0～1.8%左右。

而墙体内侧贴合点处稳态热环境下的相对湿度则一直高于动态，平均相对偏差为0.9%。

上述数据可以看处，在当前的墙体构造条件下，室内的动态与稳态热环境对墙体热湿传递的差异主要集中在墙体内侧。

4 结论

（1）动态热环境下的室内潜热负荷小于稳态，模拟7天的总空调负荷，动态热环境下的潜热负荷节能19.6%，全热负荷节能67%。

（2）动态热环境下的墙体内表面吸湿与放湿的湿流量小于稳态。

（3）在当前的墙体构造条件下，动态与稳态热环境对墙体热湿传递的差异主要集中在墙体内侧。

（4）动态热环境下的墙体内部含湿量高于稳态，且墙体越靠近外表面的部位，墙体含湿量差异越小。