（人机与环境工程专业论文）多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究.pdf

多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 a b s t r a c t k e y w o r d se n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ；h e a tt r a n s f e r ；m o i s t u r et r a n s f e r ；p o r o u s m e n l a i i 承诺书 本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特另t ! d n 以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：弓茳向墀日期：2 扔年r 月 南京航空航天大学博士学位论文 主要符号表 英文字母 d导温系数咖2 s - 1 ) 日；i p c pp v水蒸气压力( p d ) c比例常数( p a 一1 ) p 。空气压力( p d ) c p 固体骨架的比热( u ，k g - k 。) r h相对湿度( ) k质扩散系数 2 s 一1 ) t 材料的温度( 足) d ，热质扩散系数。竹2 s k “) f 时间( s ) d 。水蒸气扩散系数( m 2 s 。1 ) u 含湿量( 堙k g 。) h l 。蒸发潜热( 彬置g 一1 ) “ 水蒸气流量( k g m - 5 。) k水力传导系数( m 2 ) v 空气流速s - 1 ) 知 材料的水蒸气渗乎率h水蒸气流速() ( 蛔- ”- i - j - i “)ms-1pa 屯材料的空气渗透率 体积( 卅，) 【昭- i j - i 卅- i )vpa ，墙厚( 1 l 1 ) w 空气含湿量( 培堙。) p 压力( 尸矗) x距墙内表面的距离( m ) 希腊字母 口对流换热系数( w m k 1 ) j ；b吸着等温线的线性部分水蒸气密 度斜率 r吸着等温线的线性部分温度斜率 s 材料的孔隙度( m3 m 。) 导热率( w m k 。) u蒸气阻力系数( p a s m2 堙“) v 动力粘度( 船m s 。) p 材料的密度( 培m 。) p 。水蒸气密度( 咯m 。3 ) 妒当量水蒸气阻力系数( 无因次) r湿积累率( 堙m 3 s 1 ) f对流换湿系数( 堙m - s 。) v 多层多孔结构内熟湿耦合适移特性研究 下角标 a空气 b初始状态 i室内环境 n墙外表嚣 v l o室外环境 s饱和状态 v水蒸气 0 墙内表嚣 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 多层多孔结构内热湿迁移的研究背景 多孔介质( p o r o u sm e d i a ) 是指其内部含有众多孔隙的固体材料，是具有固体骨 架的一种多相空间，如土壤、岩石、木材、煤炭、建筑与保温材料等等。多孔介质中 的质量、动量、能量传递问题涉及到许多领域，是构成众多自然现象的基本过程。综 合其物质结构特征，可以发现多孔介质具有如下特性；多孔介质是由多相物质所占据 的空间，也是多相物质共存的一种组合体；对任一相来说，其它相均弥散在其中。而 多层多孔介质内的热湿传递更是广泛存在于科学、工程应用领域，如建筑工程、水坝 安全分析、储能、功能服装等。特别地，建筑围护结构是典型的多层多孔结构，由于 围护结构所处的条件，不仅存在着水蒸气分压力差，同时存在着温差，所以在结构内 部的吸湿区存在着由梯度引起的水蒸气迁移在冷凝区存在着由温度梯度产生的 饱和水蒸气的迁移和由温度及湿度梯度产生的液相水分迁移。基于这种湿迁移机理进 行传湿分析计算是很复杂的，建筑师们在设计建筑物围护结构过程中更多地是依赖经 验，而非准确地计算湿迁移之于围护结构的影响，以致许多建筑物在使用几年后便出 现墙表面剥蚀、渗漏、发霉甚至结构出现损坏的现象。因此，研究多层多孔结构内热 湿迁移特性并应用于建筑结构设计、使用和维护中的隔热、防潮等工程领域具有现实 意义和社会效益。 建筑物的工程耐久性问题在我国显得较为突出。世界各地都存在有大量的不同年 代建造的楼房，其质量、设计依据、损坏状况等情况均不尽相同，因而它们能否被长 期使用是摆在人们面前的一个尖锐问题。近来，同样的问题也己开始在道路、桥梁等 建筑工程结构中出现。所谓自然环境的破坏作用，除大气腐蚀外还有长期温、湿变化 所造成的结构在物理化学性质方面的变化，目前以钢材锈蚀、混凝土碱骨料反应及冻 融现象最为典型，并被认为是长期非稳定过程。我国在这方面的研究，除了对沿海港 口设施和寒冷低温地区做过一些实测和少量理论工作外，基本上还处于探索阶段。在 世界范围内，人4 1 i n 已经积累了大量的实测数据，形成了一定的研究规模。然而，由 于在化学、物理方面缺少更深入的研究，目前在理论上还没有取得实质性的突破。对 于建筑结构的研究工作以往多集中于其正常使用阶段，而这个阶段的平均风险系数往 往是最低的【l j 。在我国建设工程领域内，建房和修房长期以来一般都是截然分开的。 因此，建筑业人士只对建筑有预算，而对维修费用甚至没有多少直观的概念。然而， 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 事实上在许多情况下，维修和改造费用是不容忽视的。这是因为结构在长期自然环境 和使用环境的作用下逐渐损坏的过程是一个不可逆过程。因而，在长期温度、湿度变 化的外界侵蚀作用下结构的寿命是有限的，是涉及到人类居住安全的重大问题。 自然界中，空气中以水蒸气形式存在的水分始终包围着我们。当水蒸气通过具备 渗透性的墙体时，只要温度始终在露点以上，就不会有水析出。但是，实际存在着的 水分的迁移量仍可能很大。墙内出现水分的原因是多种多样的，水蒸气扩散所形成的 水分是其中一个主要原因：只要墙体两侧存在温差与绝对含湿量差，就能发生水蒸气 扩散现象，而且这一过程是连续的。另一个主要原因则是：如果墙体表面发生凝结， 就有可能通过毛细管作用把水分吸入墙内。墙体表面上形成的水滴很容易被发现，但 墙体内部析出的水分却不易被察觉，但其后果至少就墙体本身来说却更为严重。墙体 内的湿积累会引起建筑材料保温性能下降、强度降低、长霉。而季节性的冻融过程将 直接制约着湿、热迁移的规律，给工程建设造成影响，特别是冻胀现象会出现破坏性 的挤压应力。 湿气在建筑围护结构内的迁移和积累为霉菌的生长提供了条件。生霉是建筑物 面临的又一个严重问题，其直接影响到室内空气质量并对健康构成危害f ”。水蒸气在 建筑围护结构内的迁移存在两种途径，即通过材料的扩散和空气渗透。在热湿气候下， 空调器降低室内温度的同时也降低了水蒸气分压力，当室内水蒸气分压力低于室外水 蒸气分压力时，湿空气便渗入室内。湿气在其迁移过程中如果遇到温度较低( 低于湿 气露点温度) 的墙体表面，则会冷凝成液态，这种冷凝通常产生于墙体结构内，是 种不可见冷凝。在长期热湿条件下，这一过程不仅造成石膏类材料变软、粉化，铁或 钢结构腐蚀，还会伴随着大量菌类滋生，污染室内环境( 如图1 1 、图1 2 所示) 。 2 图1 1 外墙粉化 图1 2 内墙石膏层剥落 南京航空航天大学博士学位论文 因此，通过确定水蒸气迁移的方式和迁移量，可以找到控制湿度的方法，从而 避免上述问题的产生。 室内霉菌污染是室内空气污染的重要方面，控制污染源是避免污染的最好方式。 霉菌会造成呼吸道感染，产生流行性感冒、结核等症状。然而霉菌的产生与繁殖必须 具备以下条件 2 1 ：( 1 ) 菌种随空气传播，空气能到达的地方，都有霉菌繁殖的可能性： ( 2 ) 各种物质发生化学变化时都可能为霉菌提供食物；( 3 ) 适于人类居住的舒适温 度范围同样适于霉菌的生长：( 4 ) 在相对湿度为7 0 9 3 时，菌类将快速蔓延。建 筑物中过大的湿积累将加速霉菌的繁殖与蔓延。有资料显示，当湿含量为7 9 堙。时， 微生物的浓度为4 0 0u g m ：当湿含量的值大于1 5 9 堙。时，其浓度则高达 2 0 8 0 a g - 州一31 3 1 。因此，建筑结构内湿度过大不仅为霉菌等微生物的繁殖提供了有利 条件，而且引起建筑结构的损坏和建筑材料发生化学变化，这又为霉菌提供了广泛的 食物来源。有鉴于此，对于霉菌污染源的控制可以通过控制建筑物及其围护材料的温 度和湿度来实现。 综上所述，湿热条件下围护结构内湿积累对于建筑结构的使用性能与安全存在着 巨大的威胁。同时，还存在结构内的湿度过大所造成的室内空气品质问题。因此，以 墙内热湿传递的方式和过程为多层多孔结构内热湿迁移特性研究的工程背景，从而采 用相应的方法来控制墙内含湿量具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展概况 多孔介质的不均匀性及各传递过程的相互影响，构成了多孔介质传递现象的错综 复杂性和随机多变性，因而进行实验和模拟是其重要的研究方法。 人们对于多孔介质传递现象的关注与研究由来以久。早在1 8 5 6 年h d a r c y 就对 法国d i j o n 城的地下水源作了勘探与预测研究，并提出了以其姓氏命名的多孔介质中 的流体流动定律_ d a r c v 定律。然而，在此以后的一个相当长的历史时期里，对于 多孔介质传递科学的研究一直徘徊于土壤与岩中水的流动等这类单纯而可实测的问 题之间，未能产生更多的研究成果【4 】。二十世纪3 0 年代以后，由于石油开采与运输 的发展推动了对于多孔介质流动问题的研究，并于5 0 年代后形成了个新的学科分 支多孔介质流体动力学。r l b i k o b 等人对多孔物品的干燥原理与技术所进行的全 面、系统、深入的研究，将人们对于多孔介质传热传质过程的认识与控制提高到个 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 新的水平。随着现代农业、化工、能源、航空航天等领域内大量更为复杂的多孔介质 传递问题的不断涌现与解决，多孔介质传递科学已初步形成。 多孔介质传热传质的基础性研究是形成交叉和边缘学科的一个潜在出发点。多孔 介质的渗流传热，因流速受限制，由温度梯度诱发自然对流的影响通常不容忽视，这 就需要研究相耦合的“混合对流”，寻求简化而又实用可靠的工程计算方法及其依据。 在国家自然科学基金的资助下，多孔介质热湿迁移特性和自然渗流、渗流和相变传热 学等多方面的研究取得了前所未有的突破和进展【5 j 。然而，国内学者对多孔介质传热 传质的理论及应用研究多偏重于土壤与岩层中水流动这一类单纯可测的问题上，如文 献 6 中综合考虑了土壤剖面孔隙面积分布分形维数及土壤颗粒粒径、孔隙分布分形 维数和孔隙分布谱维数，并利用孔隙分布谱维数改进了t a y l o r 公式。文献 7 】中以埋 管周围砂土内的传热传质动态过程研究为例，给出了不同边界条件的描述，介绍了介 质物性数据及初始温度、含湿饱和度等的确定方法。给出了常功率加热条件下，浅埋 水平管道周围温度、含湿饱和度以及压力分布变化情况。 与上述研究相比，在多层多孔结构内，由于多层结构每层多孔材料的物理性质 不相同，在多层结构中的流体流动和扩散原因是复杂的、多方面的，有重力势、温度 和湿度引起的毛细势和宏观压力下的迁移，也有温度梯度和湿度梯度下引起的蒸发和 扩散凝结。国内有关这方面的研究仅见少量相关报道，其中，在研究季节性冻融过程 中的湿、热迁移规律方面，清华大学卢太金在其博士论文非饱和含湿多孔介质冻融 过程热质迁移的模拟研究中在含湿多孔介质传热传质三参数渗流模型的基础上进行 了多孔介质冻结和融化过程的研究，并取得了新进展。而国内对于湿热气候环境下的 墙体内热湿迁移和湿积累问题的研究报道更为鲜见。 国外从2 0 世纪7 0 年代后期开始重视对湿热环境下墙体内湿迁移过程的理论及应 用研究，美国旅馆和汽车旅馆协会在1 9 9 1 年估算出平均每年仅用于整修因发霉对建 筑物所造成损坏的费用就高达六千八百万美元1 8 j 。因此，国外很多学者致力于控制墙 内湿度的种种措施的研究，从而提出了用于建筑物外层的多种湿控制手段。1 9 8 9 年， w a l o t z 2 1 指出了四种控制建筑物内湿度的有效途径：( 1 ) 减少室内相对湿度：( 2 ) 保 持墙表面温度在露点温度以上；( 3 ) 使用水蒸汽防护层控制水蒸汽和空气渗入墙体；( 4 ) 防止因下雨和地下水渗入墙内。他指出，过多的湿气必然会引起建筑物表面产生发霉 现象，并且提出在涂料中加入可以抑制霉变的成分。o d o m 等 9 1 在研究中发现：位于 湿热气候地区的旅馆都存在有严重的发霉问题，而控制霉变要了解空调系统的功能及 建筑物围护结构的热湿渗透特性，解决了这些问题，预防将使维修费用降低很多。 l s t i b u r e k 和c a r m o d y 【lo 】则开发了数值分析工具来进行湿含量计算，特别考虑了各种 建筑构件在传质传热耦合情况下的相互作用。m a h d a v i 与l a i n 1 研制开发了一种计 南京航空航天大学博士学位论文 算机辅助方法用于建筑构件水蒸汽扩散的实时可视过程，其模型用于教学和设计。该 模型为稳态模型，不考虑与相变有关的潜热，但可用于指示在稳态情况下墙壁是否具 有湿积累问题。b u r c h 1 2 1 、o j a l l e n 和k u m a r a n l l 0 1 分别对墙内湿传递过程做了更详细的 数值工作，这些模型包括具有传质传热情况下的动态过程的模拟。其中，b u t c h 建立 了墙内传热传质的一维瞬态数学模型，该模型考虑了由于蒸汽扩散、空气流动和液体 流动引起的多层建筑外层内的湿扩散，在边界条件中将相变一并考虑在内，但未考虑 到建筑材料内已有的湿度滞后现象。而o j a n e n 和k u m a r a n 所建立的二维数学模型也 尚未能给出数值模拟结果。 目前对建筑构件内湿迁移过程的研究主要表现在以下几方面： 1 2 1 湿热气候建筑物湿损坏原因及控制方法 w ，s h a k u n 旧】认为建筑物内部湿损坏的主要原因来自墙内的冷凝，而引起冷凝的 基本原因则是室外热湿空气进入到了墙缝中。当建筑物处于湿热气候条件时，其表面 温度低于水蒸汽冷凝温度或露点温度的情况下，渗入的湿空气由气态转变为液态。若 内墙有低渗墙纸或防水材料，则湿气在墙缝内驻留，并在墙体内冷凝成液体，形成“隐 含冷凝”。当墙体材料表面温度低于露点温度时，材料内的湿迁移方式有两种：通过 材料的扩散及含湿空气的渗流。空调器在降低室内温度的同时也降低了室内湿气分压 力，由于室内蒸汽压低于室外，则在扩散作用下，湿蒸汽通过墙体向室内迁移。由此 可以得出结论：湿扩散取决于墙体两侧蒸汽压差、结构材料的渗透率及处于湿热气候 下的表面积；因空气渗流引起的湿迁移量则取决于空气质量流量、室内外空气的湿比。 而渗流引起的湿迁移量比蒸汽扩散引起的湿迁移量大得多。要采取措施避免建筑构件 的损坏，首先要确定湿迁移的方式和数量以及发生冷凝的位置，并从内部结构、建筑 材料的改革及空调器的正确选择等方面控制建筑物墙内湿积累问题。 1 2 2 墙体内湿迁移的过程模拟研究 1 9 8 3 年，s h e r w o o d 坶1 对墙体内湿积累进行了测量，但其测量结果很难递推到其 他条件下和不同结构的建筑物。因此，进行湿迁移过程的模拟研究显得非常! 必要。研 究者们用许多方法从水蒸汽扩散角度预测水蒸汽的迁移和冷凝，但不包括空气对流的 影响。其他一些方法中提出把扩散和对流对水蒸汽的迁移和冷凝的影响作为一个集中 参数来计算。事实上，水蒸汽的扩散速率极大地受到空气渗透的影响，空气渗透也许 会改变冷凝位置，简化各种影响因素将使得湿迁移的预测产生较大误差。 早在1 9 8 1 年，o g n i e w i c z 和t i e n l 2 0 1 就曾分析研究过绝热材料内在导热、蒸汽扩 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 散、对流同时存在的湿积累，但其分析不适于多层建筑围护结构。因为多层结构内冷 凝产生的条件不同于单层结构，其冷凝位置发生在两种不同材料界面上的某一处或几 处。 1 9 8 5 年，t e n w o l d e t l 9 1 研究了一维稳态多层墙内因对流和扩散引起的水蒸气迁移， 建立了水蒸气压力的稳态数学模型， 卢v 考= 瓦1 矿d 2 p ( 1 1 )。 咖r 。咖2 、。 其中r ，为多层墙的总水蒸气阻力系数。他还给出了一维稳态墙体内水蒸汽流量和湿 积累的具体计算方法，在其研究中考虑了空气对流及潜热释放对水蒸气迁移和湿积累 的影响。 1 9 9 1 年，b u r c h l l 2 1 在对建筑物的湿损坏研究中建立了一维瞬态传热传质数学模 型，即 质量守恒方程： 导 d ，c r ，n 考 + 号 岛c ，n 等 = 害 c t 固 能量守恒方程： 融，哮卜署 s ， 该模型把潜热对湿迁移的影响包括在边界条件中，c 。+ 。包含了贮存在干材料 和湿积累中的能量，其它形式的传热量通常都很小，因此没有被包含在模型中。上述 方程中，湿梯度扩散率d r 和温度梯度扩散率d ，都是湿含量和温度的函数，k 也是r 和 r 的函数。 1 9 9 2 年，t a o 2 1 1 等基于体平均理论提出了包含蒸汽吸收和蒸发影响的一维瞬态墙 内传热传质数学模型。 水蒸气扩散： 鱼一廊- 一- o ( d ，妻) (14)at唧卸。 、j 南京航空航天大学博士学位论文 能量守恒方程 ，娶+ 廊矗：昙( t 娶) 一百+ 坍向5 瓦( 2 瓦) ( 1 5 ) 该模型中将蒸汽吸收或蒸发产生的热量计入能量守恒方程，从而使得边界条件 的处理更为简捷，各相平均性质定义为； p 2 ；ps 七sb p b 8g p ( 1 6 ) 铲坐丛业半型业业 ( 1 ，) t = s ，t ，+ s ，t ，+ s 。紫 c s ， 式中占；、勺、占。分别为多孔介质的骨架、液体和气体所占的体积比例。 1 9 9 3 年，b u r c h 1 2 1 又利用其在1 9 9 1 年提出的数学模型首次进行了低渗墙纸背面霉 菌生长问题的研究。利用有限差分方法预测了多层墙体在非等温条件下的热湿传递、 通过毛细管组织的湿扩散和对流湿传递。文章指出：室内温度、内墙涂料渗透率、室 外空气渗入、湿材料结构、结构类型等对墙内湿积累的影响较大，而房屋朝向、材料 热阻、外墙材料渗透率等对墙内湿积累影响较小。 其后，在b u r c h 的一维瞬态数学模型基础上，s i m p o s o n l l o l 等基于以前的研究学者 在模型研究过程中存在的仿真值与实测值之间误差较大这一普遍现象，指出在处理边 界条件时应考虑边界处的温度和相对湿度是随时间变化的，该文用实验验证了这一论 点。 m a t s u m o t o 和h o k o i 在1 9 9 7 年模拟研究了辐射传热对建筑物热湿传递的影响 2 2 1 。 其研究认为，由于建筑物墙体的吸湿性对室内温度、湿度、热负荷、冷凝的出现等有 很大影响，并且，吸湿特性进一步影响到墙角及其他边缘处二维或三维的温度分布， 而在这些区域，辐射传热担当着重要角色。因此，探讨长波辐射对室内热湿传递的影 响显得十分重要。基于这一观点，他进行了天花板处及窗户附近考虑辐射传热情况下 湿扩散随时间变化的计算，并且进一步得到了下列两种情况下墙角处的湿含量和温 度：一种情况为单独计算辐射传热的影响：另一种则用复合传热系数进行计算。前一 种计算方法的结果是：墙角处于饱和状态，即有冷凝发生；而后一种方法计算的结果 多层多孔结构内热湿耦台迁移特睦研究 为平衡态。这表明在墙角处冷凝过程的分析中不可忽略辐射传热的影响。 s t e w a r t 等2 3 1 在1 9 9 8 年基于d a r c y 定律研究了通过建筑物墙体两侧的空气压差对 蒸汽流动的影响。其研究结果表明：增加空气反压差可减少水蒸汽的传递，当墙厚度 改变时，发生相应变化的是蒸汽流量而不是空气压差。所得出的结论是：空气压力正 比于蒸汽与空气的渗透力之比。b j a p a “薏，n 可减少和阻止蒸汽通过墙的扩散， 要减小这一压力，；兰必须小，即所使用的结构材料必须具有下述性质：较低的水蒸 汽渗率和相对来说较高的空气渗透率。 l i e s e n 在1 9 9 9 年发展了建筑构件中传热传湿对能量影响的模型，其模型的建立 基于冷凝蒸发理论【2 4 l 。 质量守恒方程的形式为： 盟+ 尝堡：v ( d ，v n ) (19)at 仃o t 、“7 。7 能量守恒方程的形式为： p e p 詈再c k r v t ，+ 等軎 式中盯为多孔介质的孔隙度，0 为水蒸气扩散阻力系数的倒数。l i e s e n 将上述方程转 化为耦合波微分方程组形式，并运用传递函数方法将耦合波微分方程转化为s e e m s 流量方程，从而导出了求解热流量和湿流量的表达式，其模型的变换过程如下： 鲁+ 詈鲁一vc r o 叩川p c p 詈丹c k r v t ，+ 鲁豢 一ogt 1 盟 o t “2 缸2 q 】f = s m g ( _ 埘- z 巳币】 产0，；】 0 g ，1a 2 g ， 一- - - 一 o t a 2 2 0 x 2 9 2 ，= s ，g 2 水一5 ) 一e j q 2 m j j ) j = 0f = i 南京航空航天大学博士学位论文 q 。：一_ l ( q ：- r 2 q 1 ) 9 ”一五i 旧2 q 。：一里l ( q ，- s , q 2 ) 一丁二翥旧1 湿传递函数法求解湿传递过程突破了有限元法和有限差分法在解决该问题方面 的限制。传递函数法使用了现代控制论的状态空间定律求解湿热传递模型，该方法关 注的是目前的输出与过去输出关系，其计算速度快于有限元法和有限差分法，可用于 模型长时间( 一年以上) 的湿迁移过程。 1 2 3 墙体内热湿传递的实验研究 用于预测热湿传递过程的数学模型中，材料的水蒸汽扩散率需要实验测得。不幸 的是，可用的材料渗透率数据有限，并且一些材料的水蒸汽扩散率随相对湿度的增加 而增加。目前，测量材料水蒸汽扩散率的基本方法是a s t me 9 6 一_ 9 3 ，这一方法明确 指出，在一定温度和湿度条件下测得的值并不能代表另一温度和湿度下的值。f a n n e y 等【2 5 】在1 9 9 1 年提出了一种改进的测量建筑材料湿扩散系数的方法，即可测量依赖于 湿含量的湿扩散和确定外部空气阻力对传湿的影响。 t e n w o l d e 等 8 1 在1 9 8 6 年给出了热湿气候下木结构墙内湿迁移的实验结果。他们 在美国得克萨斯大学的校园内对九种不同结构的墙体进行了实验，研究了墙体结构内 通风和防水蒸汽层的使用及其放置位置对湿迁移的影响，并提出了用于确定湿传递过 程中温度梯度和湿度梯度的影响的实验方法。 1 9 8 9 年，b a t d o r f t 2 6 1 在对建筑物的湿问题研究中发现a s t me 9 6 - _ 9 3 实验方法仅 适用于环境相对湿度小于8 0 时的情况。 1 9 9 1 年，f a n n e y l 2 5 j 等为此提出了一种改进的实验方法来测量建筑材料的湿扩散系 数，该实验方法改进了a s t me 9 6 9 3 渗透杯实验方法，确定了外部空气膜对水蒸 气迁移的影响，并指出湿迁移中材料的水蒸气扩散率很大程度上依赖于环境相对湿 度。 1 9 9 2 年，b u r c h 用f a n n e y 等的实验方法测量了十个普通建筑材料的水蒸气迁移 特性，发现温度对材料渗透率的影响很大，所测量的大多数渗透率与其它文献报道的 实验结果相吻合【2 7 】。 1 9 9 8 年，s t e w a r t j 为研究空气压差对水蒸气在墙内迁移的影响进行了一系列的 实验。其实验中采用了两个典型墙体结构作为试样，并将其置于两个环境控制室之间， 一个环境控制室的温度和湿度控制在典型的夏季温度和湿度，而另一个环境控制室为 经空气调节的室内环境温度和湿度。实验通过改变两个控制室的空气压力来测定水蒸 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 气流量，其研究结论表明：墙体两侧的水蒸气压差是一个瞬态值，通过墙体材料的水 蒸气流动随着室外相对湿度和水蒸气分压力的变化也是一个瞬态值，但在一个较长时 间内，空气反压将在很大程度上减少水蒸气的流动。 1 9 9 9 年，h o s n i f 8 1 等对混凝土砌块( c m u ) 结构的建筑物内热湿传递进行了一系 列实验。该实验分为两部分：第一部分通过实验获得以扩散方式进行湿传递时的温度、 相对湿度和热流量；第二部分实验通过测得的数据确定墙在无空气渗流时的干燥速 率，从而得出外墙水蒸汽防护层将减少向墙内的湿迁移，但其作用小于内墙防护层的 使用的结论。 实验研究固然重要，但对不同结构的墙、不同的室外气候、室内条件情况，由于 结构之间存在复杂的反应，很难从个别实验研究中得出普遍性，而进行一定量的实验 研究来概括所有可能的结构及室内外气候是不现实的，因此实验研究的发展受到了很 大限制。从模型建构、边界条件、数值方法等方面加以不断完善的模拟研究与实验研 究相结合将进一步拓宽这一研究领域。 1 3 目前湿迁移研究中所存在的问题 在多孔介质内传热传湿同时存在的情况下，用模型来模拟这一过程相当复杂，因 为多孔介质的传湿机理包括分子在液体中的扩散、分子在蒸汽中的扩散、毛细管流动、 对流传质、蒸发一冷凝、纯液体动力流动、重力引起的流动等。同时，温度梯度也影 响到湿迁移过程。因此，对于某种材料在一定条件下，其主导机理通常是未知的，而 湿传递过程是各种因素相结合的结果。 事实上，没有种简单的已知理论能完全解释多孔介质中湿传递过程的各种现 象。因此，在建立数学模型的过程中进行了许多假设，但这些假设限制了模型的应用。 一般而言无法用解析法求解，而只能通过数值方法来寻求近似解。通常数值求解一维 耦合传热传质方程的方法有下列几种：一般有限差分法、有限元法和有效导热系数法， 然而，直接对原始问题实施有限元法或有限差分法，会因为网格生成和线性代数方程 组求解的工作量太大而难以实现。目前普遍采用的一些有效导热系数法，能较好地反 映结构的平均特性，但对两相不同介质界面及孔洞附近的温度场奇异性难以很好地刻 划。均匀化方法( h o m o g e n i z a t i o n ) 具有理论严谨和适应性广的特点，已广泛应用于 多孔复合介质的热传导和质扩散问题。由于均匀化方法也是通过寻找有效介质得到宏 观热传导和质扩散方程，故它也不能刻划局部物理量的涨落。 l i e s e n 的湿传递函数法【2 4 】虽然与有限差分法相比具有一定的优越性，但对于多层 多孑l 结构，由于各层材料在边界条件中材料的物理性质发生了变化，使得材料的热湿 1 0 南京航空航天大学博士学位论文 物性参数变为不连续。湿传递函数数值模拟方法在处理多层材料层与层之间物性参数 的离散情况时，采用传递函数的变系数再计算，因此在处理速度上具有局限性，从这 一方面看，湿传递函数法更适于单层相同材料的情形，而不适用于多层材料结构。 鉴于多层多孔结构内湿迁移问题研究的复杂性，许多内容远未完善，单就多孔材 料的热湿物性参数来说，导热系数、密度、比热、质扩散系数、热质扩散系数等都是 含湿量的函数。因此，从材料的含湿量为零到饱和的整个范围内，上述参数是呈非线 性变化的，而目前这样的数据十分有限，无论是实验测定还是进行反问题求解几乎未 见诸文献。 由于大多数建筑材料的吸湿特性对室内温度、湿度、热负荷、墙内及天花板中凝 结水的出现等有很大影响。在以前的大多数模型中，忽视了对液态水在材料中达到稳 态前的积累过程研究，因此，这一积累过程对结构内热湿传递的影响尚未解决，建立 描述这一过程的瞬态传热传湿数学模型显得尤为重要。 既往的研究着重于解决一维瞬态传热传湿情况，实际上建筑中二维传热问题亦相 当重要，这是由于墙体、窗户及其他构件中存在的热桥将极大地影响能耗程度和人体 舒适性。绝热材料不能完全解决保温性，而且并不是墙体的每个区域都使用了绝热材 料。平行板间的热流通过骨架导热使保温性下降，产生热桥，即短路。热桥大大地降 低了保温材料的保温性。由此产生的温度梯度的变化将产生热应力、冷凝及其他方面 的变化。反过来，这些变化又影响到墙内温度场、湿度场及压力场的分布。因此二维 传热传湿闻题是目前的研究热门和人们竟相探索的新课题。 1 4 本文主要研究内容 综上所述，建筑上所用的砖石、混凝土、木材和粘土等材料均属多孔介质，而多 孔介质传递原理及分析方法已成功地应用于多孔物料干燥过程、多孔填充床中的传递 过程、地热热储中的流动与传热过程、以及利用多孔结构强化或削弱传热过程。虽然 这些研究成果及分析方法有定的局限性，但仍极具参考价值。从这一方面出发，本 项目着眼于基础应用研究，以建筑围护结构内热湿迁移过程为工程背景，重点对多层 多孔结构内的热、湿耦合传递机理及其特性，热湿迁移中的系统参数辨识等反问题加 以研究，内容涉及到多孔介质传热传质理论、数值计算方法与计算机软件及仿真等技 术等多门交叉学科。 本文从e u l e r 观点出发对多层多孔结构内的热湿迁移过程加以研究，以多孔材料 内的水蒸汽迁移和温度传递为研究对象，根据质量、动量、能量守恒定律，本构方程 以及不可逆热力学原理，从而得到湿迁移过程的传热传质微分方程，而将多孔材料与 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 周围介质的质量、动量、能量传递过程作为问题的边界条件处理。进一步发展了建筑 结构内的一维瞬态传热传湿数学模型。 系统热物性参数辨识是多孔结构中热湿迁移研究中的一类反问题。由于多孔材料 的热物性数据是深入研究各种多孔材料的传热传湿特性包括温度场和湿度场预测的 重要的数据，因而其准确性是掌握多孔结构内传热传质过程的关键。本文针对这一主 题，从l u i k o v 方程组出发系统地研究了建筑围护结构内热湿耦合传递过程所涉及到 的系统热物性参数辨识问题，提出了普遍适用于多孔介质热湿迁移物性参数测定的全 参数辨识法。 具体地说，本文的主要研究内容包括： 第一章，绪论。系统阐述了建筑围护结构内热湿耦合迁移现象在建筑结构安全与 建筑环境等方面的重要地位，对该研究领域作了研究分类。论文回顾了多孔结构，特 别是建筑结构内湿热传递技术的研究历程、现状与发展，对前人的研究成果及其存在 的问题和发展趋势情况作了探讨。 第二章，墙体内水蒸气迁移的机理分析。以往对墙体湿分析过程中忽视了空气渗 透对墙内湿积累的影响，本文根据墙体内传热传质的基本方程和d a r c y 定律进行了墙 体内一维稳态湿迁移过程的研究，建立了墙内温度、水蒸气压力、湿度及湿积累在仅 有扩散、扩散与空气渗透同时存在时的计算方法，并就墙体内外表面的相对湿度、空 气压差、室内温度、渗透率以及空气的渗流速度对墙内湿度的影响作了进一步研究。 第三章，多层多孔结构内瞬态耦合传热传湿分析。基于h e n r y 建立的一维瞬态 传热传湿数学模型。考虑到多孔材料这一吸湿特性，在模型中引入了湿积累率，使其 把多孔材料内的传热传湿结合在一起，构造了具有吸湿性的多孔材料中瞬态传热传湿 过程的数学模型。运用一般有限差分方法对建筑构件内瞬态耦合传热传湿过程进行了 分析研究，指出在湿热气候下为防止霉菌的产生可采取的措施。 第四章，热湿耦合分析中的传递函数解析法。提出了用传递函数解析方法分析多 孔材料内瞬态传热传质耦合过程，通过l a p l a c e 变换把祸合的传热传湿偏微分方程简 化为拉氏域内的耦合普通微分方程，由边界条件确定其系数、用传递函数表示温度和 含湿量，并最终通过l a p l a c e 逆变换得到温度和含湿量在时间域内的结果。 第五章，热湿耦合分析中不连续问题的多层求解法。以h e n r y 的多孔介质内传热 传湿动态数学模型为基础，把该模型所具有的偏微分方程转化为耦台波微分方程形 式。首次提出了一种求解多层多孔介质内瞬态祸合传热传湿方程的有限差分逼近数值 方法，将实际边界条件设定为非线性函数，并考虑了多层墙体每一层物性参数的非连 南京航空航天大学博士学位论文 续性，以避免通常处理中边界条件设定为常数而带来的计算误差。 第六章，多孔结构内热湿迁移的反问题。论述了系统热物性参数辨识这一建筑 围护结构内热湿迁移过程中的反问题研究的重要性，引入全参数辨识方法确立了求解 建筑围护结构的热湿迁移特性参数的基本思想和方法。在理论上指出了同时测取建筑 构件中随温度和含湿量变化的导热系数、质扩散系数、热质扩散系数、比热等多种非 均匀热湿参数的途径，克服了现有方法只能测试极少数常热湿物性参数的不足。 第七章，建筑构件内传热传湿的实验研究。利用现有的实验设备和手段对建筑 构件内传热传湿的实验研究进行探讨，并进一步了解在建筑构件内的热湿传递过程 中，温度和湿含量对水蒸气在材料内传输特性的影响。实验研究分为多层建筑构件在 一定的环境温度和相对湿度条件下传热传湿过程实验研究，和利用材料在不同的控制 温度和湿度下其重量的变化值，间接测定材料的质扩散系数和热质扩散系数两部分。 第八章，总结与展望。对全文作出了总结，重点指出本论文的创新研究成果，最 后提出需进一步研究的问题。 南京航空航天大学博士学位论文 第二章墙体内水蒸气迁移分析 2 1 墙体内的水蒸气迁移与湿积累 近年来，建筑结构的湿度问题已引起了人们的广泛关注。尤其在热湿气候地区， 过大的湿度会促进菌类繁殖并使其在建筑内和空调系统中迅速生长，从而破坏室内空 气质量。由于室内弥漫着一股霉味，甚至使些人对霉菌产生过敏反应，危害到居住 者的健康 2 9 j 。这些问题的形成有着复杂的原因，一方面与室内空气温度和湿度及空调 系统引起的压力变化造成的空气流动状态有关；更重要的形成因素则是建筑结构本身 在一定条件下产生了湿积累，这些条件包括： ( 1 ) 低温下的冷凝：水蒸气在压差的作用下会扩散到建筑物外面，在气温较低时， 水蒸气遇到冷却表面会产生冷凝水，这些冷凝水在气温回升时成为墙内湿积累的隐 患。这一积累过程可以通过建立数学模型来估算建筑构件中的湿扩散率。事实上，水 蒸气通过固体材料的扩散速度很慢，因此产生的冷凝量不大，相比之下，湿空气的渗 流速度很快，可在短时间内在墙内产生大量的冷凝水。在理论上，建筑设计师在设计 过程中可以使进出建筑物的空气流量保持平衡，除了阵风，墙壁内外不存在压差。然 而，建筑物不是一个简单的容器，尤其在安装了制冷系统的建筑物内，不能排除室内 某点的压力对外墙缝隙造成反压的情形，有时在某一位置上湿气向外流动，冷空气向 内流动，对该位置预测的难度要远大于对水蒸气通过固体材料的扩散率估算。 ( 2 ) 热湿气候下的凝结：在热湿气候下，由于室外空气相对湿度大，因此增加了 空调系统的除湿负荷。然而，外面的湿空气在进入室内时，在靠近冷却装置的外表面 被冷却，在墙内出现冷凝，于是增加了墙内的湿度。特别是在湿空气渗入墙壁并被阻 滞在内墙装饰层后面时，加剧了墙内湿积累，促进大量菌类繁殖生长【 1 。 ( 3 1 浸入水：地下水或下雨时浸入建筑物而无法排出的水，这一情况通常发生于 建筑中或建成后短时间内。这种情况下，在建筑构件的连接处，水通过建筑结构的外 层的缝隙或孔隙渗入，当空气的相对湿度较低时，一般不会出现任何问题。但若墙内 滞留了水，这就为菌类的生长提供了必要的条件，这时，室内装饰的水蒸气防护层防 止水分进入室内，而外墙表面在热湿气候下不能使水蒸气迅速蒸发。在太阳的辐射加 热作用下，更加速了问题的严重性，为真菌在墙内的生长提供了理想的环境条件。 在高温高湿地区，空调器已必不可少，而空调器制冷量的大小是根据显冷负荷 和潜冷负荷的分析确定的。显冷负荷来自于通过窗子的太阳能、通过结构材料的热传 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 导、灯光、人员、设备产生的热量；潜冷负荷来自于煮饭、洗澡、清洗等日常生活， 以及门窗敞开时进入的空气或通过建筑围护结构从室外迁移入内的水蒸气。空调器的 运行只要求满足显冷负荷需要，而不包括潜冷负荷，其控制机理基于响应干球温度的 温度调节器装置。室内温度高时，温度调节装置启动空调器运行，直到室内温度降下 来。空调器运行时低于所需要的制冷量则不能使房间冷却，制冷量过大虽能将温度 控制在所需要的范围内，但却不能除湿。去除大量的潜冷负荷取决于空调器的运行时 间、空调器的潜冷能力、蒸发器的空气温度及其相对湿度。如果所需的制冷量过大， 会使空调器频繁地循环。每次启动，蒸发器盘管在开始冷凝水蒸气前已将室内空气冷 却到露点温度以下，即空调器在降低室内温度的同时也降低了室内水蒸气分压力。因 此，当室内水蒸气分压力低于室外水蒸气分压力时，湿气便通过渗透进入室内。 湿气在多孑l 介质中的迁移过程可分为分子质量扩散和对流迁移，分子扩散是分 子随机运动的结果，浓度梯度是分子扩散的驱动力，分子随机运动是分子扩散的条件， 通过分子扩散使体系由非平衡态自发地趋于平衡态。湿气在建筑墙体从高湿处向低湿 处迁移有两种途径：通过建筑材料的扩散和空气渗流流动所携带的湿气。空调器的使 用降低了室内温度的同时也降低了水蒸气分压力，当室内水蒸气分压力低于室外水蒸 气分压力时，湿气便进入室内。当墙体内某一位置处温度低于露点温度时，湿气从蒸 汽态冷凝成液态，并积聚下来。作为扩散结果的湿气流动是墙体两侧蒸汽压差的函数， 也是建筑结构中所使用的结构材料渗透率的函数；由空气渗透引起的湿积累的数量是 空气质量流率、流束与室内空间的湿比差的函数。通常，空气渗透对内部材料的损坏 要比蒸汽扩散的影响大得多。 2 2 一维稳态传质过程分析 由于实际建筑物的墙体的高度、宽度与其厚度相比要大得多，我们可以认为墙体 内的传热传质为维的。对实际墙体中传质过程来说，其传质模式是分子质扩散或是 层流对流传质。由于两种传质模式的传质机理和影响因素不同，因此其基本微分方程 亦有所不同。以单层墙体为例进行水蒸气的传质分析。若水蒸气在流动过程中不与材 料发生化学反应。根据d a r c y 定律，沿与墙表面垂直的x 方向流过多孔介质的水蒸气 流速可表示为【6 9 】 v 。：生孕( 2 9 ) v “ 式中k 为水力传导系数，v 为动力粘度。同时k 又可表示为下述形式【4 】 南京航空航天大学博士学位论文 ：生， p 将式( 2 ，l o ) 代k ( 2 9 ) 并对其求导后得 唾= k p 磐 式中k 。为材料水蒸气渗透率( 堙，p a 5 m 。) ，p ，为水蒸气压力( p 日) 。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 若v 。= w ，其中w 为空气含湿量( 堙堙。) ，v 为空气的渗流速度( m j 。) ，设w 与p 。成正比【1 引，即 w = c p 。r 2 1 2 ) 式中c 为比例常数。 则 p c v 塞= 拓鲁 啪 在没有空气流动的情况下，v = 0 ，水蒸气在墙内的运动方式仅为扩散，墙内的 水蒸气压为x 线性函数， p o ) = p 一( p p 。)( 2 1 4 ) 式中f 为墙的厚度( m ) 。 当墙内水蒸气扩散和空气流动同时存在时，由( 2 1 3 ) 式可导出墙内水蒸气压力的 分析解 m 脚，山刊舞 ( 2 1 5 ) 式中a ：掣。 这时，由墙内向墙外迁移的水蒸气流量为 “：一知粤+ 胪v p( 2 1 6 ) “ 式中第一项表示质扩散引起的水蒸气流动，第二项表明通过墙体的空气流动使水蒸气 1 7 多层多孔结构内热湿耦合迁移特性研究 流量发生改变。 将式( 2 1 6 ) 代a ( 2 1 5 ) 式，得 “= a t ：p - 一p l o + p ，) 显然，对于仅有质扩散的情况，“：岛宰，这时水蒸气的迁移量为 出 “= 孚( 扩们 2 3 多层墙体的一维稳态传质分析 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 建筑墙体可以是单层的，但更多的则是由不同建筑材料构成的多层结构。进一步 考虑到墙体的多层构造特性，为简化多层墙体的传质方程，引入当量水蒸气扩散阻力 系数【1 9 】 伊= 去c 黔+ 专 ，。， 其物理意义是：多层墙内第咒层处水蒸气的阻力系数与墙体总水蒸气阻力系数的比 值。“为第f 层材料水蒸气阻力系数( p a 5 肌2 - 堙。) ，卢为多层墙体总水蒸气阻力系 数，k 。，为第f 层材料水蒸气渗透率( 堙p a j m - i ) ，占为第n 层的厚度) n 在第”层有： 肛v 砉丽d 2 p ( 2 ) 则由f 2 1 9 ) 式得 砸= k p 彬妒 ( 2 2 1 ) 因此，对于多层墙体，( 2 1 3 ) 可写成下述形式【1 9 i ： ，嘉=1咖d2_ppocv ： ( 2 22 2 一) = 、( ，zi d 9pd 妒 同理可得多层墙体内水蒸气压力分布、湿气迁移量的解析表达式( 2 2 3 ) ( 2 2 6 ) 。 没有审气法流情况下： 南京航空航天大学博士学位论文 ，( x ) = p j 一妒( p ，一p 。) “= 二( p ，一p 。) 水蒸气扩散和空气流动同时存在时 式中b = 俨叫。 m 却，一( p i - p o ) 等 ”“b f 、p g 。- 一p l o + p ，) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 式( 2 2 3 ) ( 2 2 6 ) 仅适用于水蒸气的连续流动，当墙体内出现水蒸气凝结时，湿传 递过程包括了相变，这种情况往往出现在不同材料层与层之间的界面上。假设凝结点 位于墙内x ，处，则该点的蒸气压力为饱和蒸气压力p 。这一凝结处把墙分成两部分， 每一部分墙体内的水蒸气均设为连续流动，因此对墙体的每部分均可用蒸气压力剖面 计算水蒸气的流量，而两部分墙体的水蒸气流量的差值便为水蒸气在墙内的湿积累。 蕤 、 、 鬻 确弓确 图2 1 湿迁移分析界面示意图 当。川蔓z x ，时，有妒川矿 妒，。v = 0 时，在0 h ，x ，) 中水蒸气压力分布为 =pj-ipp 一：盟( p h p ，)一。( ，一l 一，) 妒，一妒，_ l 。 。( 2 2