夏热冬冷地区建筑墙体热、空气、湿耦合迁移特性研究

发布时间：2019-11-09 10:43

【摘要】：夏热冬冷地区气候变化剧烈,建筑墙体长期暴露在高温高湿的气候环境下,墙体内的热、空气、湿传递对墙体的热工性能、建筑能耗、室内热湿环境以及室内空气品质均有重要的影响。故本文以最新的多孔介质传热传质理论为基础,对我国夏热冬冷地区建筑墙体内的热、空气、湿耦合迁移特性从数学模型的建立、求解、验证以及模型应用等方面进行了全面、系统的研究。首先,考虑热传递、空气渗透、湿传递以及它们之间的相互耦合作用,建立了建筑墙体热、空气、湿耦合传递模型。模型以相对湿度作为湿驱动势,避免了各墙体部件在交界面处以及墙体表面与空气边界处含湿量不连续的问题,从而使得墙体表面的吸放湿过程与墙体内部的热湿迁移过程有机结合,简化了分析过程。其次,应用基于有限元方法的多物理场耦合模拟仿真软件COMSOL Multiphysics对建筑墙体热、空气、湿耦合传递模型进行求解。用泊松方程模型独立求解空气流动方程,获得墙体内的空气压力分布,进而计算通过建筑墙体孔隙内的空气流量,然后将其作为热湿方程的输入参数,采用系数形式的偏微分方程模型对热湿控制方程及对应边界条件同时进行求解,从而获得墙体内的热湿分布。再次,搭建了墙体热湿耦合传递实验测试平台,测试了长沙地区实际气候条件下加气混凝土墙体内的温湿度分布情况,为验证墙体热湿耦合模型提供了实测数据。然后,将新建模型模拟结果与EN15026验证实例、HAMSTAD验证实例和实验数据进行对比,验证了新建模型的正确性。对比结果表明:新建模型模拟结果与EN15026验证实例和HAMSTAD验证实例高度吻合;新建模型预测结果与实验结果吻合良好,室内侧分界面处空气相对湿度的平均偏差为4.7%,温度的平均偏差为0.4℃,室外侧分界面处空气相对湿度的平均偏差为3.7%,温度的平均偏差为0.93℃。最后,基于本文所建热、空气、湿耦合模型,分析了我国夏热冬冷地区建筑墙体内湿传递对墙体热工性能及建筑能耗的影响;优化了该地区外墙保温层厚度,并分析了墙体内湿传递对优化结果的影响;提出了墙体内霉菌生长控制策略及霉菌生长风险评估指标。根据空调度日数(CDD26)和采暖度日数(HDD18)将夏热冬冷地区分为四个子气候区域,并在每一子气候区域选取一个典型城市作为研究城市。以典型城市成都、上海、长沙和韶关为例,选取我国夏热冬冷地区居住建筑常用砖墙(水泥砂浆-红砖-石灰水泥砂浆)为研究对象,分析了该地区建筑墙体内湿传递对墙体热工性能及建筑能耗的影响,结果表明该地区建筑围护结构内湿传递对建筑热性能和能耗性能有显著的影响。具体分析结果如下:(1)当忽略湿传递时,夏季和冬季的峰值负荷分别被高估了2.1~3.9%和4.2~10.1%;(2)忽略湿传递情况下,制冷季总的显热负荷被高估了5.1~37.1%;(3)制冷季总的潜热负荷占全热负荷的14.3~52.2%,全年潜热负荷占全年全热负荷的4.9~6.6%;(4)当忽略湿传递时,制冷季、供暖季和全年全热负荷分别被低估了9.9~34.4%、1.6~4.0%和4.4~6.8%。考虑墙体内湿传递对采暖空调能耗费用的影响,根据寿命周期经济性分析,优化了夏热冬冷地区外墙保温层厚度,并分析了墙体内湿传递对优化结果的影响。以典型城市成都、上海、长沙和韶关为例,以该地区居住建筑中常用的砖墙为研究对象,对常用保温材料EPS板的厚度进行了优化。具体结果如下:(1)EPS保温外墙的最小寿命周期内总投资现值为103.10~120.87元/m2,而其最大寿命周期内净现值为43.12~113.74元/m2;(2)EPS保温板的最佳厚度为0.086~0.115m;(3)当不考虑墙体内湿传递影响时,最小寿命周期内总投资现值LCTop、最大寿命周期内净现值LCSop和最佳保温层厚度xop分别被低估了5.18~8.84%、23.19~34.49%和4.35~6.98%。为了控制墙体内霉菌滋生,提出了墙体内霉菌生长控制策略以及霉菌生长风险评估指标,并以成都、上海、长沙和韶关为例,对居住建筑中常用砖墙内的霉菌生长风险评估指标进行了预测,结果表明长沙地区墙体各层材料交界面处霉菌生长风险最大,其次依次是成都、上海和韶关。
【图文】：

吸湿过程,建筑材料,湿状态,含湿量

夏热冬冷地区建筑墙体热、空气、湿耦合迁移特性研究平衡含湿量是湿状态变量(相对湿度)的函数。：紧接着吸湿区直到材料含湿量达到毛细饱和。在毛细区内，加，材料的平衡含湿量是湿状态变量(毛细压力)的函数。区：紧接着毛细区直到材料含湿量达到最大饱和。在过饱和区为 100%，毛细压力为零，材料的含湿量与湿状态变量之间不条件下，建筑墙体内的含湿量几乎不能到达过饱和区，因此，不考虑过饱和区。本文所说的“蓄湿曲线”为建筑材料在吸湿储特性曲线。最大饱和

界面图,界面,控制方程,方程

图 3.1 COMSOL Multiphysics 的界面3.3 模型的求解建筑墙体热、空气、湿耦合传递模型的控制方程包含湿控制方程(2.23)、热控制方程(2.35)和空气流动方程(2.39)。空气流动方程的求解相对比较容易，可以用COMSOL Multiphysics 内的泊松方程模型独立求解得到墙体内的压力分布，，从而计算出通过墙体孔隙内的空气流量并将其作为热控制方程与湿控制方程的输入参数；而湿控制方程与热控制方程高度耦合，需要用 COMSOL Multiphysics 内系数形式的偏微分方程模型同时进行求解。3.3.1 COMSOL Multiphysics 内的泊松方程模型 c u fu r 控制方程边界条件(3.1第一个方程为泊松方程，第二个方程为狄氏边界条件。u 为因变量，c 为扩散
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU111.4

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