翟志文 王曉歡 費(fèi)本華

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕性能是建筑物理研究的重要內(nèi)容。水分對(duì)于古建筑以及新建建筑構(gòu)成的影響不容忽視[1]：不適宜的水分狀態(tài)，可能導(dǎo)致建筑部件乃至結(jié)構(gòu)的破壞[2-3]；熱濕性能影響著整體建筑的能耗水平[4-5]。此外，熱濕也與健康密切相關(guān)，一定溫度條件下，較高的相對(duì)濕度會(huì)增加霉菌生長(zhǎng)的可能性，可能會(huì)導(dǎo)致居住者出現(xiàn)過(guò)敏癥狀，某些菌類甚至含有毒素，更會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[6-7]。

為了減少由于熱濕帶來(lái)的負(fù)面影響，需要一種可靠、方便的計(jì)算分析工具，在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮避免問(wèn)題產(chǎn)生，或?qū)σ延薪ㄖM(jìn)行分析維護(hù)以降低危害。在過(guò)去的幾十年里，多種模擬軟件被開發(fā)出來(lái)，如DELPHIN、 MOIST 、hygIRC及WUFI等[8-12]。WUFI(瞬態(tài)熱濕傳送)作為建筑領(lǐng)域有關(guān)熱濕模擬的專業(yè)軟件，在國(guó)外廣泛用于科研及實(shí)踐，但國(guó)內(nèi)因技術(shù)原因研究人員目前對(duì)該軟件研究較少，尚未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 簡(jiǎn)介

WUFI（瞬態(tài)熱濕傳送模型）是由德國(guó)弗朗恩霍夫建筑物理研究所（FIBP）開發(fā)的，在一定的蒸汽壓力或含水率梯度下，基于Fick（菲克定律）建立水蒸氣傳遞模型，基于Darcy（達(dá)西定律）建立液態(tài)水傳送模型，已被證實(shí)可以用于廣泛的建筑材料，包括工程木質(zhì)材料如膠合板、刨花板等[13-16]。WUFI家族可以分為兩大類，四種產(chǎn)品。WUFI Pro應(yīng)用于建筑單一或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)如墻體、屋頂?shù)鹊囊痪S熱濕模擬；WUFI2D在WUFI Pro的基礎(chǔ)上進(jìn)行了另一維的擴(kuò)展，適用于評(píng)估具有更為復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)，如建筑拐角，窗戶連接，基礎(chǔ)界面等；WUFI Plus是WUFI家族最為復(fù)雜的成員，側(cè)重于獲得健康舒適居住環(huán)境的室內(nèi)條件及能耗分析,其計(jì)算輸出結(jié)果可以用于評(píng)估所分析建筑是否達(dá)到被動(dòng)式要求；WUFI Passive則是針對(duì)被動(dòng)式建筑進(jìn)行相關(guān)計(jì)算機(jī)分析。總的來(lái)看，前兩者用于建筑部件熱濕分析，后兩者用于整棟建筑熱濕及能耗分析[17]。

2 建模

在進(jìn)行熱濕模擬計(jì)算之前，需要根據(jù)研究目的，確定結(jié)構(gòu)形式，設(shè)置計(jì)算方法，確立邊界條件。

2.1 墻體構(gòu)建

首先需要確定研究的墻體結(jié)構(gòu)，由幾層構(gòu)成，每層使用的材料及其尺寸。之后將墻體在軟件圖形界面（圖1）中以增減層的方式構(gòu)建，并以一維形式顯示出來(lái)。需要注意的是，為了正確地進(jìn)行模擬計(jì)算，必須輸入組成墻體的各層材料的相關(guān)材性數(shù)據(jù)，如容積密度、孔隙率、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、水蒸汽擴(kuò)散阻力系數(shù)、水分儲(chǔ)存函數(shù)（等溫吸放曲線）、液態(tài)水傳送系數(shù)(吸收和分布)等。軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)包含了多種建筑材料的材性數(shù)據(jù)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料，則材性數(shù)據(jù)可直接使用。部分建筑材料的材性數(shù)據(jù)可以從有關(guān)研究機(jī)構(gòu)公開發(fā)表的文獻(xiàn)中查得。對(duì)于新型建筑材料，或缺少有關(guān)材性數(shù)據(jù)的，則需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，相關(guān)檢測(cè)需要依據(jù)指定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn)，有關(guān)材性數(shù)據(jù)的檢測(cè)也可酌情簡(jiǎn)化或忽略[1]。如關(guān)注的重點(diǎn)為水分傳遞和分布，則比熱可直接使用軟件推薦值，導(dǎo)熱系數(shù)可直接使用絕干狀態(tài)值。

墻體各層設(shè)計(jì)完成后，軟件將自動(dòng)生成網(wǎng)格圖，網(wǎng)格的分布是熱濕傳遞公式的計(jì)算基礎(chǔ)。網(wǎng)格圖由上下兩部分構(gòu)成，上面的對(duì)應(yīng)墻體整個(gè)厚度方向的各層，下方的網(wǎng)格圖則是選定層的局部放大。系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格劃分有錯(cuò)略、中等及精細(xì)三個(gè)級(jí)別，應(yīng)用于不同的情形。受墻體構(gòu)造形式、建筑材料、邊界條件的影響，有時(shí)墻體沿厚度方向會(huì)存在較大的溫濕梯度、溫濕分布曲線曲率明顯，此時(shí)的網(wǎng)格劃分需足夠的精細(xì)以反映真實(shí)的狀態(tài)。若默認(rèn)的精細(xì)網(wǎng)格仍不能滿足要求，則可手動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格圖也是監(jiān)測(cè)器布置的依據(jù)，在每層對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格放大圖中，根據(jù)需要布點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有關(guān)熱濕指標(biāo)將在最終的模擬結(jié)果中顯示出來(lái)。此外，為更貼切的模擬實(shí)際使用情況，軟件也提供了有關(guān)水、熱、空氣交換源，通過(guò)網(wǎng)格在適當(dāng)位置安放。

圖1 墻體構(gòu)建Fig.1 Wall constructing

2.2 計(jì)算設(shè)置

在軟件中完成墻體設(shè)計(jì)后，還需要進(jìn)行一些設(shè)置，為后續(xù)計(jì)算做準(zhǔn)備。建筑物在實(shí)際使用中會(huì)受太陽(yáng)輻射及降雨的影響，需要對(duì)墻體的方位、傾角以及高度進(jìn)行設(shè)置（圖2）。針對(duì)墻體朝向，系統(tǒng)默認(rèn)給出了8個(gè)方位。傾角是墻體相對(duì)于水平面的角度，在0～90°之間（0°對(duì)應(yīng)平屋頂）。這兩者的設(shè)置均影響到入射到墻體的輻射和雨水量。進(jìn)一步的，為了更為準(zhǔn)確的反應(yīng)墻體的實(shí)際受雨量，軟件引入了兩個(gè)系數(shù)，通過(guò)公式估算任意方位及角度墻體的受雨量。

表面?zhèn)魉拖禂?shù)反應(yīng)的是墻體與周邊環(huán)境的熱濕交換程度。對(duì)于墻體外表面，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定熱阻值，有無(wú)短波和長(zhǎng)波輻射等。墻體內(nèi)表面的設(shè)置則相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)使用材料選擇默認(rèn)的熱阻值。

圖2 計(jì)算設(shè)置Fig.2 Calculation setting

墻體的初始溫濕條件也是計(jì)算不可缺少的部分。濕度的設(shè)置有三種方法：固定值，給出相對(duì)濕度值，通過(guò)濕度儲(chǔ)存函數(shù)自動(dòng)計(jì)算出各層的含水率；單層輸入法，在表格中輸入各層的初始含水率；導(dǎo)入法，從ASCII文件中自動(dòng)導(dǎo)入，該文件必須由兩列構(gòu)成，第一列顯示位置，第二列對(duì)應(yīng)含水率。溫度的設(shè)置有兩種方法，輸入某一溫度值及從文件讀取。

在完成上述設(shè)置后，需要進(jìn)一步設(shè)定模擬計(jì)算的起始時(shí)間及步長(zhǎng)。WUFI將基于時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算出相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)量的變化過(guò)程。起始及結(jié)束時(shí)刻點(diǎn)的各指標(biāo)沿厚度方向的分布狀態(tài)也將自動(dòng)輸出，可根據(jù)需要酌情增加觀察時(shí)刻點(diǎn)。時(shí)間步長(zhǎng)為軟件執(zhí)行相鄰兩次計(jì)算的間隔時(shí)間，步長(zhǎng)不能大于氣象數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間間隔。最后，按照具體研究任務(wù)，確定計(jì)算模型，熱計(jì)算、濕計(jì)算或熱濕同步計(jì)算。通過(guò)選擇特定項(xiàng)，還可單獨(dú)研究傳熱系數(shù)、毛細(xì)管傳導(dǎo)等。

2.3 邊界條件

墻體構(gòu)件將處在一定的室內(nèi)外環(huán)境中。降雨、輻射、外界溫濕等將直接作用于墻體外表面，一定的室內(nèi)溫濕條件也同樣作用在墻體內(nèi)表面上。綜合起來(lái)，這些邊界條件將極大地影響墻體的熱濕行為[18]。在模擬計(jì)算中，勢(shì)必也需要將這些因素考慮在內(nèi)。反應(yīng)到模型中，需要給與模型左右兩側(cè)一定的邊界條件。

在一維模型中，左側(cè)代表墻體外表面，右側(cè)代表內(nèi)表面，左右兩側(cè)的邊界條件可以從氣象文件中讀取，一般以小時(shí)為讀取步長(zhǎng)。右側(cè)的邊界條件有時(shí)可以按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（EN 13788、EN15026、ASHRAE160）基于左側(cè)邊界條件計(jì)算得出。需要注意的一點(diǎn)是，包含降雨及輻射的氣象條件只能應(yīng)用左側(cè)，即墻體外表面。當(dāng)為左側(cè)選定一定的氣象條件后，會(huì)自動(dòng)以曲線圖顯示出來(lái)，還可以對(duì)輸入的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，使研究人員對(duì)于氣候條件有直觀的認(rèn)識(shí)，如溫度、相對(duì)濕度的極值及平均值，年降雨、輻射總量及方位部分等。對(duì)于有些情況，無(wú)需考察邊界的短期波動(dòng)，只需要反應(yīng)長(zhǎng)期的一個(gè)趨勢(shì)，則只需建立溫度、相對(duì)濕度正弦函數(shù)作為輸入條件，有時(shí)甚至可以使用固定值。

WUFI計(jì)算墻體瞬態(tài)熱濕分布，對(duì)應(yīng)每一個(gè)計(jì)算時(shí)間點(diǎn)，氣候條件需要包含入射墻體外表面的雨速[Ltr/(m2h)]，太陽(yáng)輻射（W/m2），環(huán)境空氣溫度（℃）及相對(duì)濕度（%），室內(nèi)空氣溫度（℃）及相對(duì)濕度（%），氣壓(hPa)，長(zhǎng)波大氣逆輻射（W/m2）等。這些氣候條件可以來(lái)源于真實(shí)監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)，也可以人為設(shè)定（如進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究）。WUFI主要應(yīng)用于研究建筑構(gòu)件暴露在自然環(huán)境的熱濕行為，所以更多時(shí)候采用的是實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)[19]。需要注意的是，關(guān)于降雨和輻射，一般氣象數(shù)據(jù)提供的是相對(duì)水平面的指標(biāo)，而WUFI計(jì)算則需要垂直于墻體外表面的相應(yīng)量，需要根據(jù)風(fēng)速、方位等進(jìn)行換算。當(dāng)研究人員可以提供出*.WAC、*.WET、*.TRY、*.DAT及*.IWC等格式的氣象文件時(shí)，轉(zhuǎn)換將作相應(yīng)的處理。IBP及有關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供了眾多區(qū)域的典型氣候條件，可以直接使用。

3 計(jì)算和輸出

3.1 計(jì)算

模型構(gòu)建完成后，啟動(dòng)計(jì)算。軟件提供了兩者計(jì)算模式，一種是快捷計(jì)算，按照設(shè)計(jì)的時(shí)間步長(zhǎng)讀取邊界條件，直至顯示最終結(jié)果；另外一種是伴有影像顯示的計(jì)算，WUFI所執(zhí)行的每一次計(jì)算，結(jié)果都將以圖形呈現(xiàn)出來(lái)，研究時(shí)間段的整個(gè)計(jì)算過(guò)程以動(dòng)畫記錄下來(lái)。

3.2 輸出

具體來(lái)看，軟件的輸出結(jié)果可以歸結(jié)為以下三類：

1）在準(zhǔn)備階段，需要指定墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要觀測(cè)的點(diǎn)，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)墻體，層與層交接處一般會(huì)設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算，可以獲得待觀察位置相關(guān)量或指定層平均量隨時(shí)間的演變過(guò)程，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的熱通量密度，觀察點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度，以及指定層或整體結(jié)構(gòu)含水率的變化等。

2）通過(guò)讀取特定時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、含水率，可以反應(yīng)相應(yīng)量在建筑結(jié)構(gòu)厚度方向的分布狀態(tài)。軟件將自動(dòng)記錄起始及結(jié)束時(shí)刻的分布狀態(tài)，根據(jù)需要，可以插入任意時(shí)間點(diǎn)。

3）相鄰兩次計(jì)算的時(shí)間間隔為時(shí)間步長(zhǎng)，可根據(jù)研究目的進(jìn)行設(shè)置。針對(duì)某種構(gòu)造結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算完成后，軟件可輸出記錄影像，包含所有以步長(zhǎng)進(jìn)級(jí)時(shí)間點(diǎn)的相關(guān)量的分布狀態(tài)。通過(guò)以上輸出結(jié)果，研究人員可以進(jìn)一步展開相關(guān)分析。

4 優(yōu)勢(shì)及局限性

4.1 優(yōu)勢(shì)

WUFI Pro的優(yōu)勢(shì)在于最大限度地接近真實(shí)環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算分析，大量研究表明，當(dāng)材性數(shù)據(jù)及邊界條件等輸入正確，計(jì)算設(shè)置合理時(shí)，軟件模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的[20]。為新型材料、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕性能研究提供了經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確的研究手段。為已呈現(xiàn)熱濕問(wèn)題的現(xiàn)存建筑提供了非破壞性的輔助分析工具。隨著我國(guó)木結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)于木結(jié)構(gòu)的品質(zhì)要求也逐步提高，熱濕模擬作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的有效評(píng)價(jià)工具，對(duì)于我國(guó)發(fā)展新型木結(jié)構(gòu)、以及基于不斷深化竹質(zhì)工程材料開發(fā)的竹結(jié)構(gòu)會(huì)有積極的推動(dòng)作用[21-22]。

4.2 局限性

模擬計(jì)算所需要的材性數(shù)據(jù)及邊界條件有時(shí)是不容易獲得的，尤其對(duì)于新型材料及氣候區(qū)域，為獲得可靠的結(jié)果，需要大量的基礎(chǔ)性研究工作，這也一定程度影響了軟件的使用。

5 結(jié)語(yǔ)

WUFI在材性數(shù)據(jù)輸入準(zhǔn)確、邊界條件及計(jì)算設(shè)置合理的前提下，可以準(zhǔn)確反映建筑處于實(shí)際環(huán)境中的熱濕表現(xiàn)，用于居住舒適性、建筑能耗及建筑材料熱濕反應(yīng)特性等的分析，是高效、可靠的熱濕評(píng)價(jià)工具，對(duì)于新材料的應(yīng)用及新型構(gòu)造的研發(fā)具有重要意義。

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