賈斌廣, 張大鵬, 韓 韜, 苑紹迪, 單寶琦
(山東建筑大學 熱能工程學院,山東濟南250101)
我國很多地區(qū)夏季室外空氣相對濕度高,為了提高室內的舒適度,大多采用主動除濕技術[1]。主動除濕雖然可以獲得比較理想的室內舒適度,但消耗了大量的能源。調濕墻體可以對濕度進行“削峰填谷”,不僅改善室內熱濕環(huán)境,還可以降低空調能耗。
我國從20世紀90年代開始對調濕材料的性能進行研究。包劍等人[2]、冉茂宇等人[3]研究了硅膠調濕材料吸放濕機理和對室內熱濕環(huán)境的影響。黃季宜等人[4]、劉川文等人[5]研制出具有良好吸放濕特性的樹脂調濕材料。張連松等人[6]、劉成樓等人[7]對調濕材料進行了研制,使其兼具控溫、吸放濕、抗菌、凈化空氣等多種功能。文獻[8-10]對多種多孔建筑材料進行了研究,得到了相對高效的調濕材料。羅曦蕓[11]詳細解釋了無機鹽類、蒙脫土類、特種硅膠和有機高分子類調濕材料的調濕性能及作用機理。
本文建立調濕墻體與室內外空氣熱濕耦合傳遞模型,利用COMSOL Multiphysics軟件模擬5種調濕墻體的熱濕傳遞,以調濕墻體內壁面濕流密度的絕對值作為評價指標,篩選調濕性能最優(yōu)的調濕材料。COMSOL Multiphysics軟件是COMSOL公司開發(fā)的物理場模擬軟件,以有限元法為基礎,通過求解偏微分方程(單場)或偏微分方程組(多場)實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真。
① 物理模型
由于在z方向上,認為參數不變,因此計算區(qū)域物理模型可簡化為二維。計算區(qū)域物理模型見圖1。圖1中藍色區(qū)域為調濕墻體,紅色區(qū)域為室內空間,兩個區(qū)域緊密接觸。調濕墻體從室外到室內的結構為:水泥砂漿層(厚度為50 mm)、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫層(厚度為70 mm)、加氣混凝土層(厚度為200 mm)、調濕層(厚度為20 mm的調濕材料),為方便表述,將水泥砂漿層、保溫層、加氣混凝土層稱為基礎層。室內空間的厚度取10 mm。計算區(qū)域高度取500 mm。
調濕墻體上下壁面無傳質傳熱,室內空間除與調濕墻體接觸外的其他5個面無傳質傳熱。室內外空氣設置為濕空氣,將室內計算區(qū)域設置為集總參數模型,即模型的各變量(溫度、相對濕度)與空間位置無關。設定室外空氣參數不發(fā)生變化。設定流體(空氣、水蒸氣、液態(tài)水)在調濕墻體孔隙中處于熱平衡狀態(tài),調濕墻體內各層接觸緊密,接觸面處的水蒸氣壓力、吸附壓力和溫度均連續(xù),考慮調濕墻體內壁面與室內外空氣接觸面的傳質傳熱。
圖1 計算區(qū)域物理模型
② 控制方程
熱濕耦合傳遞模型中的連續(xù)性方程[12]8:
式中ρ——單項流體(空氣、水蒸氣、液態(tài)水)的密度,kg/m3
t——時間,s
ρ——單項流體的密度矢量,kg/m3
U——流體的流速矢量,m/s
以溫度和濕度為驅動項,建立單項流體的傳質方程[12]10:
式中wi——單項流體的質量分數
Wi——單項流體的質量分數矢量
ρdiv(UWi)——調濕墻體內由于對流引起的流體的積累速率
Ji——單項流體的擴散通量,kg/(m2·s)
div(Ji)——調濕墻體內由于分子擴散引起的流體的積累速率
mc——調濕墻體內流體的生成或轉化速率
傳濕過程中包括水蒸氣、液態(tài)水的傳遞與擴散過程,隨時間增加而形成的濕累積,以及由于水蒸氣、液態(tài)水的相態(tài)發(fā)生變化而導致的質量變化。由于水蒸氣、液態(tài)水的相變過程導致的質量變化相等,因此濕平衡方程中最終質量變化為零。傳質守恒方程為[12]10:
式中dm——固體基質的含濕量,kg/m3
ρm——固體基質的密度,kg/m3
Wv——水蒸氣的質量分數矢量
ρmdiv(UWv)——水蒸氣對流項
Jv——水蒸氣的擴散通量,kg/(m2·s)
div(Jv)——水蒸氣擴散項
JL——液態(tài)水的擴散通量,kg/(m2·s)
div(JL)——液態(tài)水傳導項
由于室內外空氣擴散系數遠大于墻體內部流體擴散系數,相對調濕墻體,室內外空氣混合充分?;谶@項假設,對室內外空氣的研究采用集總參數法,得到室內外空氣熱濕平衡方程。建立室內外空氣熱濕平衡模型時必須考慮調濕墻體的吸放濕性能,當室內外空氣中的含濕量大于調濕墻體含濕量時,調濕墻體通過壁面從室內外空氣中吸收水分。反之,調濕墻體釋放水分。建立室內外空氣熱濕平衡方程時,還考慮了調濕墻體與室內外空氣的熱交換,以及室內出現(xiàn)的散濕源、散熱源。
室內空間的濕平衡方程為[12]16:
式中ρa——室內空氣密度,kg/m3
V——室內空氣的體積,m3
d——室內空氣的含濕量,kg/kg
mdis——散濕源的散濕量,kg/s
mex——調濕墻體與室內空氣的濕交換量,kg/s
③ 定解條件
室外空氣溫度為28 ℃,室外空氣相對濕度為0.75。調濕墻體的初始溫度為25 ℃,初始相對濕度為0.5。室內空氣初始溫度為25 ℃,空氣初始相對濕度為0.5。在9:00—17:00,室內空間出現(xiàn)散濕源、散熱源,散濕量為5.1 g/h,散熱量為3 W。調濕墻體內各層接觸面為固-固接觸面,墻體與室內外空氣接觸面為流-固接觸面。
④ 求解設置
采用COMSOL Multiphysics數值模擬軟件計算求解調濕墻體以及室內外空氣熱濕耦合傳遞過程。先分別建立調濕墻體與室內外空氣的熱濕耦合模型,由于調濕墻體內外壁面與室內外空氣直接接觸,調濕墻體與室內外空氣的熱濕傳遞主要體現(xiàn)在調濕墻體內外壁面上。因此,以調濕墻體內外壁面為橋梁,建立調濕墻體與室內外空氣的熱濕耦合傳遞方程組。
先選擇求解模塊中的對流-擴散方程組與Brinkman方程,并輸入控制方程。在完成求解模塊設置后,打開COMSOL Multiphysics軟件的幾何繪制物理模型選項,完成調濕墻體的繪制及網格劃分。在調濕墻體繪制后,將材料添加到相應位置,并輸入材料物性參數。最后進行計算的設置:選擇非穩(wěn)態(tài)計算,設置計算時間為72 h,計算步長為10 s。其他設置條件為默認值?;A層材料物性參數見表1。選取5種調濕材料:調濕材料1,石膏質量分數100%。調濕材料2,石膏質量分數95%,硅藻土質量分數5%。調濕材料3,石膏質量分數97%,麥稈質量分數3%。調濕材料4,石膏質量分數75%,陶粒質量分數25%。調濕材料5,石膏質量分數95%,珍珠巖質量分數5%。5種調濕材料的物性參數見表2。調濕材料1~5,對應調濕墻體1~5。
表1 基礎層材料物性參數
表2 5種調濕材料的物性參數
⑤ 網格劃分及無關性驗證
采用COMSOL Multiphysics軟件自帶的網格生成器進行網格劃分,物理模型的網格劃分見圖2。為了更好地進行求解,在網格構建時對固-固接觸面、流-固接觸面進行局部加密。在定解條件下(不考慮室內出現(xiàn)散熱源、散濕源),進行網格無關性驗證。結果表明,當網格數量超過10 110 個后,墻體內壁面空氣努塞爾數變化小于1%,因此網格數量最終確定為10 110 個。
圖2 物理模型的網格劃分
5種調濕墻體內壁面濕流密度隨時間的變化見圖3。濕流密度為在單位時間內,流經單位面積的水蒸氣質量流量,單位為kg/(m2·s)。正值表示水蒸氣由室內空氣向調濕墻體傳遞,負值表示水蒸氣由調濕墻體向室內空氣傳遞。由圖3可知,在前2日,5種調濕墻體的調濕性能表現(xiàn)基本一致。從第3日的16:00開始,調濕墻體4內壁面濕流密度的絕對值大于其他調濕墻體。這說明,調濕材料4的調濕性能最優(yōu)。
圖3 5種調濕墻體內壁面濕流密度隨時間的變化
建立調濕墻體與室內外空氣熱濕耦合傳遞模型,在9:00—17:00室內出現(xiàn)散濕源、散熱源的條件下,利用COMSOL Multiphysics軟件模擬5種調濕墻體(編號為1~5,僅調濕材料不同)的熱濕傳遞,以調濕墻體內壁面濕流密度的絕對值作為評價指標,篩選調濕性能最優(yōu)的調濕材料。在5種調濕墻體中,調濕墻體4(調濕材料組成為:石膏質量分數75%,陶粒質量分數25%)內壁面濕流密度的絕對值大于其他4種調濕墻體,調濕墻體4采用的調試材料的調濕性能最優(yōu)。