墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩(wěn)態(tài)模型及驗證

1、墻體熱、濕及空氣耦合傳遞非穩(wěn)態(tài)模型及驗證：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

2、 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 inte

3、rnationally accepted HAMSTADbenchmarks， and the results agree well with each other.建筑墻體多為多孔介質(zhì)材料， 建筑墻體熱濕傳遞研究以多孔 介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ) .Philip 與 Devries1 （1957 年） 和 Luikov2 （ 1966 年） 以溫度和含濕量為驅(qū)動勢，考慮多孔 介質(zhì)內(nèi)熱傳遞、 濕遷移及其相互作用建立了多孔介質(zhì)熱濕耦合傳 遞模型 . 在 Philip 與 Devries 和 Luikov 模型的基礎(chǔ)上 Kunzel3 ， Kong4 ， Chu5 ， Abahri6 ， Lesko

4、vsek7 ， Zhong8 ， Belarbi9 ， Qin10 ，李魁山 11 和郭興國 12 等各自建立了多孔介質(zhì)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(wěn)態(tài)氣候條件下， 由于室內(nèi)外環(huán)境存 在溫度、濕度及空氣壓力梯度，這將導(dǎo)致墻體內(nèi)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(zhǔn)確地分析建筑墻體內(nèi)的 溫度和濕度分布 . 為了更準(zhǔn)確地研究建筑墻體內(nèi)的熱濕耦合傳遞 規(guī)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

5、所占體積百分比與液態(tài)水所 占體積百分比來分別計算水蒸汽含量和液態(tài)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(shù)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(yīng) 室外氣候的逐時非穩(wěn)態(tài)變化.本文在KUNZEL勺研究基礎(chǔ)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(qū)動勢的建筑墻體熱、 濕及空氣耦合 傳遞非穩(wěn)態(tài)模型.通過對比該模型模擬結(jié)果與 HAMSTA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(qū)動勢， 根據(jù)能量守恒 和質(zhì)量守恒定律建立墻體熱、 濕及空氣耦合

6、傳遞非穩(wěn)態(tài)模型， 并 作如下假設(shè)： 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(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 2）墻體材料為各向同性的連續(xù) 多孔介質(zhì)； 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(nèi)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(rèn)為這兩種材料的邊界表面處于 濕平衡狀態(tài) .1.1 濕傳遞2 模型求解 建筑墻體內(nèi)熱、空氣、濕傳遞過程相互耦合，為了獲得墻體 內(nèi)的溫度和濕度分布，控制方程組需同時求解 . 本文采

7、用有限元 方法對控制方程組進(jìn)行求解 . 時間步長可根據(jù)實際邊界條件確 定，本文將時間步長設(shè)定為 1 h.3 模型驗證HAMSTA驗證實例是為了評價建筑物理領(lǐng)域熱、空氣、濕傳 遞機(jī)理模型而建立的一個開放性平臺 . 對比新建模型模擬結(jié)果與 HAMSTA驗證實例是目前國際公認(rèn)的建筑墻體熱、空氣、濕耦合 傳遞模型驗證方法 .HAMSTA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(jī)理中的兩項 . 本文通過對比新模型模擬 結(jié)果與HAMSTA驗證實例3和5來驗證模型的正確性.3.1HAMSTA驗證實例3如圖1圖6所示，新模型模擬結(jié)果與 HAMSTA驗證實例 吻合良好，該模型能準(zhǔn)確地

8、預(yù)測建筑墻體內(nèi)的溫度和濕度分布 .圖中CTH TUD, Technion 和NRC表示參與 HAMSTA項目的其 它研究機(jī)構(gòu)的模擬結(jié)果， 新建模型模擬結(jié)果表示本文所提出模型 的模擬結(jié)果.如圖1, 3, 5所示，在2021 d之間，由于壓力梯度方向的改變， 室外低溫空氣向室內(nèi)滲透， 墻體內(nèi)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(nèi)的含濕量, 室外空氣向室內(nèi)滲 透的過程中帶走大量的濕, 墻體內(nèi)的含濕量快速降低 . 由此可見, 建筑材料孔隙內(nèi)的空氣對流, 對建筑墻體的熱濕性能有重要的影 響.4 結(jié)論本文在 Kunzel 的研究基礎(chǔ)上,通過考慮空氣滲透,建立了 一個以溫