多层墙体热湿耦合传递模型及验证

从非平衡热力学角度论证了多层墙体热湿耦合过程采用水蒸气分压力和温度作为驱动势的合理性。由于水蒸气分压力是含湿量和温度的函数,利用全微分思想,建立了多层墙体热湿耦合传递模型,该方法可避免Budaiwi方法在热湿耦合模型建立过程中采用的空气含湿量与相对湿度间的近似表达式,而且简化了方程系数,便于方程的求解。通过对多层墙体求解结果的对比,验证了该模型的有效性。     

热湿气候地区湿传递对吸放湿墙体热湿性能的影响

以墙体中的空气含湿率和温度为驱动势建立了多层墙体的一维瞬态热湿耦合传递方程,将用此方程计算出的值跟用忽略湿传递的导热方程计算出的值进行对比得出湿传递对墙体热湿性能的影响。结果表明,对于吸放湿墙体而言,湿传递对墙体的热湿性能有着非常重要的影响。在进行墙体传热计算时,如果忽略墙体中的湿传递会产生较大误差,不能精确的预测墙体内的温度分布情况,并且导致计算出的空调负荷偏小,进而影响到空调的实际效果。     

两种常见墙体的热湿迁移特性分析

大多数建筑墙体均为多孔介质材料,多孔介质墙体中湿迁移与热迁移是互相耦合的过程,湿迁移对热迁移有着重要的作用,例如会使热导率明显增加,同时,热过程对湿过程也有着影响作用。基于Fourier定律、Fick定律、Darcy定律,以温度和空气含湿量为驱动势建立了多层多孔介质墙体热湿耦合迁移数学模型,对两种常见墙体（红砖墙体和加气混凝土墙体）进行计算分析。结果表明,加气混凝土墙体比红砖墙体具有更好的保温隔热性能,但更容易发生湿积累和引发湿破坏。     

新建节能建筑墙体材料层及排布对干燥过程的影响

建筑围护结构内的热湿耦合传递是一个非常复杂的过程,其研究是降低建筑能耗、评估和预防湿害、提高室内热舒适性、室内卫生及优化围护结构性能的基础。新建节能建筑墙体具有初始含湿量大的特点,若墙体湿积累过大,则容易出现墙体表面剥蚀、渗漏、发霉甚至结构出现损坏的现象。墙体干燥时,传热传质过程同时发生且相互耦合。目前相关热物性仿真软件、理论研究和设计规范主要建立在热传递的基础上,忽略了湿传递的影响,对新建建筑墙体干燥不适用。WUFI~? Pro热湿仿真软件充分考虑了材料本身含湿量、风驱雨、太阳辐射、长波辐射、毛细传输和夏季结露等典型气候的影响,实现了对自然气候条件下建筑构件非稳态热湿性能的真实计算。节能墙体多在外墙添加内外保温层来增加围护结构的传热热阻,且在保温层内外两侧分别添加隔汽层和空气层的措施来防止保温层受潮,最终提高围护结构的保温性能。为墙体美观,多在围护结构的内外两侧分别黏贴墙纸和釉面砖。采用WUFI~? Pro对北京地区2种典型的建筑墙体进行热湿耦合传递模拟,分析新建建筑墙体在不同保温层材料和位置时的干燥过程,以及保温层两侧的隔汽层和空气层、墙体两侧的墙纸和釉面砖对墙体干燥过程的影响。模拟用室外条件为北京典型气象年小时室外气象参数,室内条件设定室内冬季供暖温度T_1=20℃,夏季室内温度设计值T_2=25℃,全年平均相对湿度为50%。模拟外围护结构属于西向,墙体温湿度初始条件为:相对湿度为100%,温度为15℃。模拟结果表明:内保温层的设置非常不利于围护结构的干燥,容易在内保温层和砌块之形成湿积累,降低围护结构的耐久性;EPS、PU和XPS都能降低围护结构含湿量,但EPS更有利于墙体干燥;隔汽层和空气层的添加可一定程度上阻止保温层受潮,避免造成湿积累,进而提高围护结构的保温性能;釉面砖和墙纸的黏贴将严重延缓围护结构的干燥过程,降低围护结构的保温性能,缩减建筑构件的使用寿命。     

Budaiwi模型的修正及实验验证

在Fourier定律和Fick定律的基础上,考虑墙体内部相变及太阳辐射的影响,以墙体中的空气含湿率和温度为驱动势对Budaiwi模型进行了修正,弥补了质传递方程中的遗漏之处。为了验证模型的正确性,建立了一个实验装置测试实际气候条件下墙体内的温度和相对湿度,并将实验结果跟模型预测结果进行了对比,模型预测结果跟试验测试结果吻合良好。室外侧分界面处的空气相对湿度平均误差为4.44%,平均温度偏差为1.31 K,室内侧分界面处的空气相对湿度平均偏差为6.3%,平均温度偏差为1.26 K。该改进模型能较精确的预测墙体内的热湿耦合迁移情况。     

免拆模板-混凝土复合墙体早龄期热湿耦合传递特性研究

以免拆模板-混凝土复合墙体为研究对象,考虑早龄期混凝土水化反应的影响,以毛细压力和温度为驱动势,构建多层墙体一维瞬态热湿耦合传递模型,利用COMSOL Multiphysics模拟研究该复合墙体在早龄期的热湿传递过程。结果表明：水化反应对复合墙体早龄期热湿特性有重要影响,忽略水化反应会低估复合墙体的温度、高估其湿度。考虑水化反应时,复合墙体中混凝土在前期温升较大、湿度降幅较大。与忽略水化反应的情况相比,前期混凝土含湿量梯度更小、梯度范围更大。与忽略水化反应相比,免拆模板在水化反应早期温度、湿度波动较大。免拆模板具有一定保温隔热和湿缓冲能力。     

极端热湿地区围护结构热湿耦合传递模型

极端热湿地区常年高温多雨,为了准确预测围护结构内的温度和湿度分布,模拟高温、高湿和高太阳辐射对围护结构的影响,建立了适用于极端热湿地区的围护结构热湿耦合传递模型,在边界条件中加入太阳辐射和雨水负荷对传热传湿的影响,考虑了随材料含湿量不断变化的材料物性参数。为了求解模型,提出了基于计算机软件COMSOL的模型求解方法,利用MATLAB计算方程组不断变化的系数,并确定了软件容差和网格的设置条件:相对容差推荐设定在0.001,绝对容差设定为0.000 1,网格按极细化划分。通过对比HAMSTAD标准实例验证了模型的准确性。     

农村保温墙体的热湿性能分析

通过建立非保温墙体和XPS保温墙体模型,应用COMSOL Multiphysics软件模拟墙体的热湿变化规律,分析农村保温墙体的热湿性能.结果表明:水泥砂浆与混凝土交界面、混凝土与水泥抹灰交界面分别受室外、室内温度影响大于相对湿度影响.潜热净吸热量密度在非保温墙体和XPS保温墙体内分别占净吸热量密度的21.7％和14....     

湿传递对建筑墙体传热性能的影响

建筑物的耗能与建筑围护结构的传热传湿密切相关,了解建筑墙体内部的热湿传递对建筑节能有重要影响。以相对湿度和温度梯度为驱动势建立墙体一维非稳态热、湿和空气耦合传递模型(HAM模型),并利用有限元法进行了数值求解,重点关注了湿传递对传热的影响。数值结果表明:考虑传湿时墙体内部温度波动小,墙体进行热湿传递会产生湿积累,降低墙体使用年限;考虑传湿时通过墙体总传热量比不考虑传湿时多7.5%;考虑传湿时内壁面最大平均数比不考虑传湿时大0.78。     

太阳辐射对疆北地区住宅能耗影响分析

以乌鲁木齐市某典型住宅建筑为研究对象,采用Sketch Up建立建筑模型,并用Energy Plus模拟计算通过围护结构进入室内的太阳辐射得热量。对比分析室内逐时指标热负荷,表明充分利用太阳辐射,可降低供热负荷;并得出在供热低谷期的中午时段南向房间太阳辐射得热量已大于室内指标热负荷。通过改善墙体保温性能,优化窗墙比,充分利用太阳辐射,可以有效降低疆北地区住宅能耗。     

蒸压加气混凝土砌块墙体热湿耦合传递特性

运用开尔文定律和克劳修斯-克拉贝龙方程,将多孔建筑材料内水蒸气传递量和液态水传递量转变为以水蒸气分压力为驱动势的统一函数,以温度和水蒸气分压力为驱动势建立了热湿耦合传递模型,并模拟分析了上海地区自然干燥状态下加气混凝土砌块墙体10a的热湿性能变化规律.结果表明:对于初始温度为298K,含湿量(质量分数,下同)分别为2.91%,3.45%,5.03%,8.60%的4种工况,经过1a的使用后,墙体内的温湿度分布不再受初始条件影响;在正常情况阶段,墙体内表面相对湿度均小于1.0,不会出现结露现象,但是在部分时段超过了0.8,易产生霉变;墙体内部含湿量呈周期性变化,空调季为3.34%~8.31%,平均值4.45%;采暖季为3.31%~3.69%,平均值3.47%.     

NM-BIN模型在热湿地区建筑能耗评价中的应用研究

传统的BIN模型在评价建筑全年能耗时是稳态计算,只考虑对温度划分频段,认为太阳辐射负荷与温度成线性关系,精确度较低。为了提高BIN模型在建筑能耗评价中的准确性,主要对目前传统的BIN法进行改进,在对温度划分频段时对含湿量也划分了频段,形成了温湿度频段,并且认为太阳辐射量不与室外温度成线性关系,对太阳辐射所造成的负荷重新进行计算。提出的改进方法可以使温湿度频段划分得更加精确,减小BIN模型进行能耗评价时的误差,通过对透过玻璃窗的日射得热、围护结构不稳定传热、室内散热源的改进,以及对含湿量划分频段,获得New Modified BIN法(简称NM-BIN法)。采用NM-BIN法和Energy Plus对热湿地区建筑能耗进行了能耗模拟,并将模拟结果与建筑实测能耗进行了对比。结果显示,NM-BIN和Energy Plus的模拟结果与建筑实测能耗的相对误差分别为3.92%和1.45%,即NM-BIN和Energy Plus的模拟结果只差2.43%。该结果表明新改进的NM-BIN法具有较好的准确度。由于NM-BIN无需复杂建模,方便手算,因此具有更好的工程实用性。     

热湿气候地区墙体热湿耦合迁移模型热湿物性参数灵敏度分析

本文将热湿气候地区墙体热湿耦合传递模型中的等温吸放湿曲线斜率、液态水传递系数、水蒸气传递系数、导热系数、比热容作为输入参数,将温度和相对湿度作为输出参数,通过生成Sobol序列对热湿物性参数进行采样,并使用Sobol灵敏度分析法对采样结果进行灵敏度分析,得到热湿物性参数的一阶灵敏度指数和总灵敏度指数,进而分析各热湿物性参数对墙体内温湿度分布的影响程度。结果表明,等温吸放湿曲线斜率和液态水传递系数对墙体内的温湿度分布影响较大,而导热系数和比热容对墙体内的温湿度分布影响较小。因此,在进行墙体热湿耦合模拟时需将等温吸放湿曲线斜率和液态水传递系数视为温度和湿度的函数处理,而水蒸气传递系数、导热系数和比热容可视为常数处理。     

气凝胶玻璃的K-SC模型与动态传热模型对比分析

建立了气凝胶玻璃的光学模型及动态传热模型,将该模型计算值与传统的K-SC模型计算值,以及实测值进行对比分析。结果表明:动态传热模型的太阳辐射得热量和各层玻璃温度的模拟值均与实测值吻合度较高,实验验证了该模型的准确性。而K-SC模型的太阳辐射得热量模拟值与实测值之间白天的平均相对误差为34.9%,高估了通过气凝胶玻璃的太阳辐射得热,而且K-SC模型无法计算得到各层玻璃的温度,这既对K-SC模型模拟值与实测值的对比有影响,也不利于分析气凝胶玻璃的传热特性。此外,应用两种模型对气凝胶玻璃在各气候区典型城市各朝向上的累计室内得热量进行了模拟分析,结果表明:K-SC模型的计算值偏大,这会导致在用K-SC模型来评价气凝胶玻璃的节能潜力时:供暖期预估的采暖能耗偏低,高估了气凝胶玻璃的节能潜力;空调期预估的空调能耗偏高,低估了气凝胶玻璃的节能潜力,这将不利于气凝胶玻璃的推广和应用。     

建筑围护结构单层墙体的热湿耦合传递实验研究

建筑围护结构的热湿传递是影响建筑工程耐久性、室内环境及建筑能耗的重要因素。为研究其热湿耦合传递规律,对单层围护结构多孔介质的热湿耦合传递规律进行了实验研究。通过建立240mm厚混凝土围护结构热湿耦合测试实验台,对围护结构干燥阶段的含湿量、温湿度等参数进行测量。通过对实验结果的分析发现,围护结构内部含湿量传递很慢,其传递速率远远低于热量传递速率,且与温度分布的变化灵敏度不同,含湿量分布受边界条件的变化影响小。实验期间围护结构内部含湿量的分布始终是中间高两侧低;实验墙体在最开始的3个月尤其是第1个月,含湿量下降是最明显的。实验1个月时中心点的含湿量下降25%,3个月后下降47%。     

多孔介质热、空气、湿非稳态耦合传递改进模型及其验证

考虑适应高温差、高压差的外部环境与空气渗透、风驱动雨荷载等现象,建立了一个墙体内的热、空气、湿的非稳态三维模型。通过构建的PDE方程在COMSOL Multiphysics中求解,将计算结果与HAMSTAD标准实例结果对比。结果表明,在墙体解湿过程中,外部加压条件下内表面温度与基准的最大误差为4.11%,含湿量的最大误差为7.41%。对于恶劣环境下模型与基准对比的最大响应时差提前0.05 h,温度的最大响应时差延迟约0.023 h,验证了新建模型在适应复杂外部条件时具有较好的准确性。     

多层墙体热湿迁移数值模拟

以4层复合墙体为例,在室外空气温湿度正弦变化、室内空气温湿度固定条件下,对墙体外壁面、分层界面(由室外到室内分为界面1~3)、内壁面的温度、热流密度、单位面积热阻、含湿量的变化进行分析。朝向室外的墙面为外壁面,朝向室内的墙面为内壁面。界面1为水泥砂浆层与离心玻璃棉保温层界面,界面2为离心玻璃棉保温层与红砖层界面,界面3为红砖层与水泥砂浆层界面。外壁面、界面1、界面2温度主要受室外温度影响,界面3、内壁面温度主要受室内温度影响。界面1热流密度在3 h前增大,3 h开始逐渐降低,之后呈正弦波动,与室外温度变化同步。界面2热流密度始终为正,在4 h前非常小,4 h后呈正弦波动,变化滞后于室外温度。界面3热流密度在1 h前增大,然后逐渐减小并趋于0,始终为正值。考虑传湿时,界面1~3单位面积热阻比忽略传湿时略小。界面2的单位面积热阻大于界面1、3,且变化最小。界面1含湿量受室外空气相对湿度影响明显,与室外相对湿度变化相比,存在一定延迟。     

自然通风对轻质墙体的热湿传递影响

为了研究自然通风对轻质墙体热湿传递的影响,设计了一种通风型太阳能光伏多层外墙结构,通过测试房和对比房的对比实验,得出以下结论:光伏组件的遮挡和空气层的存在能减小墙体的得热量,从而减小空调负荷;开启光伏组件背面通风流道,能使墙体更快地干燥,降低墙体内的相对湿度,减小墙体内的湿积累,并可为墙体机械通风时空气层排湿风机的设计提供实验依据。     

深埋风道湿空气凝结数值模拟

提出了一种实现空气降温凝结数值模拟的方法,建立了深埋风道传热传湿数学模型,利用FLUENT的用户自定义函数功能,将热质传递关系式转化为相应控制方程的源项,对风道内流动空气热湿耦合传递进行了三维非稳态数值模拟,计算了空气进出口温差、析湿量和传热量,结果表明:凝结起始截面空气平均相对湿度低于90%;热湿耦合作用对空气温湿度变化影响较大,入口空气相对湿度由70%增大到90%时,析湿量和传热量分别增大86.6%和36.8%,出口温降减小2.17℃。为地热能利用研究及地下工程通风温湿度预测奠定了基础。     

汲液式被动蒸发多孔墙体制冷性能及汲液特性分析

将汲液多孔陶瓷管组成被动蒸发制冷墙,干燥空气与含湿多孔管表面进行热湿传递,产生蒸发制冷效果,通过多孔材料主动吸水补充散失的水分。沿气流方向,邻近各排多孔陶瓷管分别以交错排列和平行排列方式组合。本文以数值分析与实验相结合的方法分析了含湿多孔管的组合方式、排数和邻近管之间的间距等组合墙体的结构形式以及空气的相对湿度、温度、风速和太阳辐射等气候条件对组合墙体制冷特性的影响。非饱和多孔介质含湿多孔陶瓷管的汲液特性即毛细升高特性,受含湿多孔介质孔隙率、粒径和饱和度的影响。在含湿多孔陶瓷管中填充含湿砂石后,对其制冷特性的变化进行了实验研究。所得结果为汲液式被动蒸发多孔墙体推广和应用提供一定的指导。