郭興國,陳友明,鄧永強(qiáng),張 樂

(湖南大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.教育部建筑安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410082）

在中國南方地區(qū),墻體的熱濕遷移對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、建筑能耗和室內(nèi)環(huán)境有著十分重要的影響[1]。墻體濕傳遞過程直接影響著室內(nèi)濕度水平和潛熱負(fù)荷。同時(shí),濕傳遞還有可能引起墻體內(nèi)部濕積累,導(dǎo)致保溫材料保溫性能下降,增加墻體的傳熱系數(shù),進(jìn)而增加建筑能耗。濕積累還會(huì)導(dǎo)致建筑物在使用幾年后便出現(xiàn)墻表面剝蝕、滲漏、發(fā)霉甚至結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象,這嚴(yán)重影響了墻體的使用壽命和美觀。因此,為了提高建筑能源利用率和結(jié)構(gòu)工程的耐久性、改善人居環(huán)境,深入研究建筑構(gòu)件內(nèi)熱濕耦合遷移情況是十分重要的。

國外從20世紀(jì)70年代后期開始重視對熱濕環(huán)境下墻體內(nèi)濕遷移過程的理論及應(yīng)用研究,發(fā)展了許多圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞的數(shù)值模型。其中被廣泛采用的是Philip和DeVries模型[2],該模型參數(shù)的物理意義比較直觀明了,但是對于多層墻體而言,由于所采用的濕驅(qū)動(dòng)勢在層與層之間的交界面處不連續(xù),需要重復(fù)計(jì)算。為了解決此不連續(xù)問題,一些學(xué)者對該模型進(jìn)行了一些改進(jìn)[3-5]。另外一個(gè)被廣泛采用的是Luikov模型[6],該模型比較全面的描述了墻體內(nèi)的熱濕遷移情況,但是解法非常復(fù)雜,而且一些參數(shù)很難確定。Qin在該模型的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)多層材料內(nèi)的熱濕耦合傳遞方程[7-9]。

在實(shí)際建筑應(yīng)用中,一些學(xué)者通過各種假設(shè)建立了一些簡化模型[10-13]。較為系統(tǒng)的研究了復(fù)合墻體傳熱傳濕特性的是Budaiwi等人,他們建立了評價(jià)復(fù)合墻體瞬態(tài)熱濕的動(dòng)力學(xué)模型[14]。各種濕工況下的濕過程和墻體各層的含濕量都能被較為準(zhǔn)確的估算。但是該模型在傳質(zhì)控制方程中有遺漏之處,邊界條件較為簡單,忽略了太陽輻射的影響,這將導(dǎo)致計(jì)算誤差增大,而且該模型沒有用在實(shí)際氣候條件下墻體的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

鑒于此,該文在Budaiwi模型的基礎(chǔ)之上,以墻體內(nèi)的空氣含濕率和溫度為驅(qū)動(dòng)勢,將空氣含濕率看做是材料含濕量和溫度的函數(shù),對該模型進(jìn)行了修正。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,建立多層墻體熱濕耦合傳遞試驗(yàn)測試裝置,進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 模型的修正

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的研究,墻體內(nèi)的濕傳遞過程為:

根據(jù)下列表達(dá)式即可求出方程中各偏導(dǎo):

將各偏導(dǎo)數(shù)代入方程(1)即可得質(zhì)傳遞方程為:

相關(guān)邊界條件為:

將此質(zhì)傳遞方程與文獻(xiàn)[14]的質(zhì)傳遞方程進(jìn)行比較可見,Budaiwi模型在質(zhì)傳遞方程中漏掉了,這將導(dǎo)致較大的誤差特別是忽略了ρm。

熱傳遞過程方程為[15]:

相關(guān)邊界條件為:

式中,K為導(dǎo)熱系數(shù),W/m·K;hc為表面換熱系數(shù),W/m2·K;hfg為蒸發(fā)潛熱,J/kg;cvm為材料比熱,J/kg·K;ρm為材料密度,kg/m3;Qrad為太陽輻射得熱。

在墻體的內(nèi)表面處,Qrad=0,外表面處的太陽輻射得熱可根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算得出。將此能量守恒方程與Budaiwi模型中的能量守恒方程進(jìn)行比較可見,在由于相變引起的能量變化項(xiàng)中Budaiwi忽略了比例系數(shù)。同時(shí),Budaiwi還忽略了邊界處太陽輻射的影響,實(shí)際上太陽輻射的影響要比相變熱的影響大的多,特別是在外表面。

采用有限差分法來解此控制方程,為了確保數(shù)值穩(wěn)定性,采用隱式格式。離散方程用Gauss-Jordan消元法求解。為了評估墻體內(nèi)部冷凝情況,在每一個(gè)時(shí)間步長,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的空氣含濕率都跟對應(yīng)該節(jié)點(diǎn)溫度的飽和空氣含濕率進(jìn)行對比,如計(jì)算值大于飽和空氣含濕率,則表示該處有冷凝發(fā)生,將該點(diǎn)的空氣含濕率設(shè)為飽和空氣含濕率。

2 實(shí)驗(yàn)測試方法

為了驗(yàn)證模型的正確性,在湖南大學(xué)暖通試驗(yàn)樓頂樓進(jìn)行了試驗(yàn)測試,并將測試結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)墻體(500 mm×500 mm)構(gòu)造方式及傳感器安裝如圖1所示,墻體共3層:外墻為20 mm水泥砂漿層,中間為240 mm厚紅磚墻,內(nèi)層為20 mm水泥抹灰層。墻體四周用300 mm厚XPS擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板進(jìn)行絕熱隔濕。在墻體內(nèi)部的分界面處安裝溫度傳感器(Pt100)和相對濕度傳感器(HIH-4000)來測試該處的溫度和相對濕度,靠近墻體表面的環(huán)境溫濕度用溫濕度傳感器測試,所有傳感器都安裝在試驗(yàn)墻體的中心位置。所有傳感器都事先進(jìn)行了標(biāo)定,在埋入墻體之前,分別用冰水混合物和飽和氯化鈉溶液對溫度傳感器和相對濕度傳感器進(jìn)行了校正。溫度傳感器的測量誤差為:±(0.15+0.002|T|),相對濕度傳感器的測量誤差為±3.5%。所有傳感器都在砌墻體時(shí)埋入。太陽輻射儀放置在離墻較遠(yuǎn)的空曠處測量總輻射得熱量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用型號(hào)為EN880的數(shù)據(jù)采集儀每隔半小時(shí)采集一次。圖2為試驗(yàn)裝置照片。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間為1個(gè)月。

圖1 墻體結(jié)構(gòu)及傳感器安裝示意圖

圖2 試驗(yàn)圖片

3 模型的解與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

計(jì)算時(shí)假設(shè)墻體內(nèi)各點(diǎn)的初始溫濕度都相同,其值由試驗(yàn)條件決定。溫度為23℃,相對濕度為60%。材料的物性參數(shù)(如表1所示)來源于文獻(xiàn)[17-18]。墻體內(nèi)外表面的熱交換系數(shù)分別取8.72 W/m2·℃和23.26 W/m2·℃,質(zhì)交換系數(shù)可根據(jù)熱交換系數(shù)值由Lewis關(guān)系式求得(Lewis數(shù)等于1)。外表面的太陽輻射得熱取為垂直壁面的太陽直接輻射得熱量,其值可根據(jù)測試得到的水平總輻射得熱利用Lam和Li在文獻(xiàn)[19]中給出的分解公式計(jì)算得出。為了便于與實(shí)測數(shù)據(jù)比較,計(jì)算時(shí)間步長取為30 min。室內(nèi)外溫濕度和水平太陽總輻射得熱均為實(shí)測數(shù)據(jù),如圖3-圖5所示。

表1 墻體各層材料的物性參數(shù)

圖3 室內(nèi)外各時(shí)刻溫度

圖4 室內(nèi)外各時(shí)刻相對濕度

圖5 水平太陽總輻射得熱

圖6為水泥砂漿與磚層分界面處的空氣相對濕度的實(shí)測值與模擬值比較。從此圖可以看出,模擬值跟實(shí)測值吻合非常好,模型預(yù)測的最大偏差為11.86%,平均偏差為4.44%。磚層與水泥抹灰層的分界面處的空氣含濕率模擬值與實(shí)測值比較如圖7所示,該處模型預(yù)測的最大誤差為12.91%,平均誤差為6.3%。誤差的主要原因可能是由于實(shí)驗(yàn)測試精度造成的。此外,物性參數(shù)不夠精確以及求解計(jì)算精度問題也是引起誤差的一個(gè)原因。由于文中提出的計(jì)算飽和空氣含濕量的計(jì)算式計(jì)算出的值偏小,因而計(jì)算出的相對濕度值偏大。

圖6 室外側(cè)分界面處的相對濕度變化

圖7 室內(nèi)側(cè)分界面處的相對濕度變化

圖8為室內(nèi)側(cè)分界面處的溫度模擬值跟實(shí)測值的比較所示,該處的最大偏差為2.17 K,平均偏差為1.26 K。圖9表示室外側(cè)分界面處的溫度模擬值跟實(shí)測值的比較,在該處模型預(yù)測的最大偏差為2 K,平均偏差為1.31 K。偏差的主要原因可能是由于忽略材料的蓄熱所引起的。此外,在計(jì)算墻體的輻射得熱時(shí),只考慮了太陽直接輻射得熱而忽略了散射輻射得熱,這也是導(dǎo)致偏差的原因之一。

圖8 室內(nèi)側(cè)分界面處溫度變化

圖9 室外側(cè)分界面處溫度變化

4 結(jié)論

在Budaiwi模型的基礎(chǔ)上,以多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)中的Fourier定律和Fick定律為基礎(chǔ),以墻體中的空氣含濕率和溫度為驅(qū)動(dòng)勢,根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律對該模型進(jìn)行了修正;將模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,空氣相對濕度最大偏差在15%以內(nèi),室外側(cè)分界面處的空氣相對濕度平均誤差為4.44%,平均溫度偏差為1.31 K,室內(nèi)側(cè)分界面處的空氣相對濕度平均偏差為6.3%,平均溫度偏差為1.26 K。

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