張 瀟， 劉 芳， 李子淳， 王澤林

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東濟南250101；2.濟南市萊蕪新奧燃?xì)庥邢薰荆綎|濟南271100)

1 概述

目前，我國建筑能耗占社會總能耗約30%，而在建筑能耗中，又以圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗占比最大[1-3]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到室內(nèi)外環(huán)境的共同影響，熱濕遷移顯著[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱濕遷移進(jìn)行了大量研究。Devries[7]利用數(shù)學(xué)模型結(jié)合液態(tài)水方程與水蒸氣方程，把單一的驅(qū)動機制改為熱濕雙驅(qū)動，簡化了氣液流動以及蒸發(fā)冷凝機制，降低了模擬的計算量，提高了模擬的準(zhǔn)確性。Uros等人[8]建立的吸濕和冷凝傳遞方程考慮了水蒸氣擴散和蒸發(fā)冷凝，并通過分析纖維保溫材料在動態(tài)邊界條件下的熱濕傳遞過程，得到其內(nèi)部的熱濕分布。徐洪濤等人[9]采用動態(tài)濕熱耦合程序計算了不同濕條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱，歸納圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計算中環(huán)境的影響?？追布t等人[10]、劉倩等人[11]通過混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕耦合實驗測試發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部溫度能夠很快達(dá)到平衡，但由于濕擴散速率遠(yuǎn)低于熱擴散速率，因此只有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面相對濕度受邊界條件影響。李瑋等人[12]比較了濕遷移對墻體熱濕性能的影響，指出濕遷移對墻體的溫度、相對濕度、相變速率等都有比較明顯的影響，易縮短墻體使用壽命。

本文以4層復(fù)合墻體為例，在室外空氣溫濕度正弦變化，室內(nèi)空氣溫濕度固定條件下，對墻體外壁面、分層界面、內(nèi)壁面的溫度、熱流密度、單位面積熱阻、含濕量的變化進(jìn)行分析。

2 模型的建立

2.1 物理模型

在實際建筑中，墻體高度遠(yuǎn)大于墻體厚度，因此熱濕傳遞效應(yīng)在高度方向可忽略不計。二維物理模型見圖1。墻體左側(cè)為室外環(huán)境，右側(cè)為室內(nèi)環(huán)境。墻體總厚度為300 mm，從室外到室內(nèi)依次為10 mm厚水泥砂漿層、40 mm厚離心玻璃棉保溫層、240 mm厚紅磚層、10 mm厚水泥砂漿層。朝向室外的墻面為外壁面，朝向室內(nèi)的墻面為內(nèi)壁面。界面1為水泥砂漿層與離心玻璃棉保溫層界面，界面2為離心玻璃棉保溫層與紅磚層界面，界面3為紅磚層與水泥砂漿層界面。材料物性參數(shù)見表1。

圖1 二維物理模型1～3.界面1～3

表1 材料物性參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

通過建立墻體熱濕及空氣耦合傳遞模型，求解墻體內(nèi)部溫度和含濕量，控制方程見文獻(xiàn)[13]。傳質(zhì)方程根據(jù)Fick定律、Darcy定律以及質(zhì)量守恒定律建立，考慮了水蒸氣的對流擴散、水的分子擴散。傳熱方程根據(jù)Fourier定律和能量守恒定律，考慮了墻體中的濕傳遞。墻體內(nèi)外表面的吸濕量重點考慮墻體內(nèi)外表面與室內(nèi)外空氣之間的水蒸氣交換。

q=div(-λgradT)+m(r+cp,VT-cp,LT)

式中q——墻體熱流密度，W/m2

div——散度

λ——固體基質(zhì)熱導(dǎo)率，W/(m·K)

grad——梯度

T——溫度，K

m——相變速率，kg/(m2·s)

加深了中國與東盟軍隊之間的相互了解與信任，為未來開展海上安全合作奠定了良好基礎(chǔ)。此次演習(xí)安排了多項文體交流活動、研討活動，以及戰(zhàn)術(shù)桌面推演和艦艇開放活動，使各國官兵面對面地接觸和交流，在一定程度上消除了彼此的陌生感，從而有了更感性和直觀的看法。尤其是增強了外軍對中國軍隊的了解，使他們直接感知中國軍隊維護(hù)南海和平穩(wěn)定的決心，減少了“中國威脅論”的影響。這些舉措，有益于積累互信，有利于中國與東盟十國今后更好地開展海上安全合作，維護(hù)南海地區(qū)的和平與穩(wěn)定。

r——汽化潛熱，J/kg

cp,V——水蒸氣比定壓熱容，J/(kg·K)

cp,L——水比定壓熱容，J/(kg·K)

墻體界面單位面積熱阻R的計算式為：

式中R——墻體界面單位面積熱阻，K·m2/W

ΔT——界面相鄰1 h的溫差，K

qav——界面1 h內(nèi)熱流密度平均值，W/m2

2.3 初始條件及邊界條件

墻體初始相對濕度以墻體內(nèi)空氣相對濕度表示，取0.6，初始溫度為291 K。室內(nèi)空氣溫度保持293 K，相對濕度保持0.5。室外空氣初始相對濕度為0.7，初始溫度為302 K。

環(huán)境壓力取101.3 kPa。室外空氣溫度、相對濕度來自濟南市典型氣象年數(shù)據(jù)庫中6月1～3日的氣象參數(shù)，并將溫度、相對濕度擬合為正弦函數(shù)，見圖2。

圖2 室外空氣溫度、相對濕度隨時間的變化

2.4 模擬方法

利用COMSOL Multiphysics軟件，采用有限元法模擬墻體的熱濕變化。物理場選擇數(shù)學(xué)模塊中的經(jīng)典偏微分方程(對流-擴散方程，Convection-Diffusion Equation)，時間步長設(shè)置為0.2 h，控制方程通過數(shù)學(xué)公式編寫輸入。

2.5 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

采用三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以最大單元1.5、1.0、0.6 mm劃分網(wǎng)格，最大單元增長率為1.2，對界面處采用0.01 mm進(jìn)行局部加密，分別得到網(wǎng)格數(shù)8 362、9 030、13 494。

在初始條件下，達(dá)到穩(wěn)定時，對于網(wǎng)格數(shù)8 362、9 030、13 494，內(nèi)壁面的溫度分別為291.6、292.5、292.7 K。由此可知，網(wǎng)格數(shù)9 030兼顧了計算精度與運算成本，因此網(wǎng)格數(shù)選為9 030。

3 模擬結(jié)果與分析

① 溫度

墻體各面溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，外壁面、界面1溫度與室外溫度變化趨勢一致，主要受室外溫度影響。受保溫材料熱惰性影響，界面2溫度在前4 h基本保持不變，4 h后呈波動上升，主要受室外溫度影響。界面3、內(nèi)壁面溫度先小幅升高，然后保持在與室內(nèi)溫度(293 K)接近的292.8 K不變，主要受室內(nèi)溫度影響。

圖3 墻體各面溫度隨時間的變化

② 熱流密度

界面1～3熱流密度隨時間的變化見圖4。熱流密度正值表示傳熱方向由室外向室內(nèi)，負(fù)值表示傳熱方向由室內(nèi)向室外。由圖4可知，界面1熱流密度在3 h前增大，3 h開始逐漸降低，之后呈正弦波動(交替出現(xiàn)正負(fù)值)，與室外溫度變化同步。界面2熱流密度始終為正，在4 h前非常小，4 h后呈正弦波動，變化滯后于室外溫度。界面3熱流密度在1 h前增大，然后逐漸減小并趨于0，始終為正值。

圖4 界面1～3熱流密度隨時間的變化

③ 單位面積熱阻

忽略、考慮傳濕時界面1～3單位面積熱阻隨時間的變化見圖5。由圖5可知，考慮傳濕時，界面1～3單位面積熱阻比忽略傳濕時略小，說明相變產(chǎn)生的水蒸氣或液態(tài)水的累積導(dǎo)致單位面積熱阻變小。界面2的單位面積熱阻大于界面1、3，且變化最小，這是由于保溫層熱導(dǎo)率與蒸汽滲透系數(shù)小，熱阻的變化僅由其自身濕組分的相變引起。

圖5 忽略、考慮傳濕時界面1～3單位面積熱阻隨時間的變化

④ 含濕量

界面1～3含濕量隨時間的變化見圖6。由圖6可知，界面1含濕量受室外空氣相對濕度影響明顯，與室外相對濕度變化相比，存在一定延遲。

圖6 界面1～3含濕量隨時間的變化

4 結(jié)論

① 外壁面、界面1、界面2溫度主要受室外溫度影響，界面3、內(nèi)壁面溫度主要受室內(nèi)溫度影響。

② 界面1熱流密度在3 h前增大，3 h開始逐漸降低，之后呈正弦波動，與室外溫度變化同步。界面2熱流密度始終為正，在4 h前非常小，4 h后呈正弦波動，變化滯后于室外溫度。界面3熱流密度在1 h前增大，然后逐漸減小并趨于0，始終為正值。

③ 考慮傳濕時，界面1～3單位面積熱阻比忽略傳濕時略小。界面2的單位面積熱阻大于界面1、3，且變化最小。

④ 界面1含濕量受室外空氣相對濕度影響明顯，與室外相對濕度變化相比，存在一定延遲。