（工程热物理专业论文）建筑物外墙热湿传递过程的数值模拟.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要。本文在总结国内外对建筑物外墙热湿传递研究现状的基础上，以德国 德累斯顿工业大学开发的d e u h 矾软件为研究工具，研究了哈尔滨、北京、上海 和广州四个热工分区代表城市建筑物外墙的热湿传递状况研究对象包括传统红 砖墙体和新型复合保温墙体 确定了四个地区，不同墙体热湿状况达到稳定状态所需要的时间，以及稳定 后含湿率和传热系数的大小；分析了墙体的热湿变化规律；比较了传热系数初始 值、稳定值和设计值之间的差别。对几种外墙的节能效果进行了评价。 对比了不同地区新型复合保温墙体建成后前几年保温材料的受潮情况，总结 了不同地区，不同承重结构复合保温墙体保温材料的受潮规律对各个地区，建 造复合保温墙体时承重结构的选择，以及施工中及建成初期的注意事项提出了建 议 此外，鉴于目前计算软件无法进行墙体三维热湿传递的数值计算，本文还探 讨了对多维热湿传递数值计算的近似降维处理方法，并对二维传热数值计算进行 了降维尝试。 关键词：建筑节能；复合墙体；多孔材料；热湿传递；数值模拟 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a bs n 认c t a b s 们5 渔c t 豇l i st h e s i su s e dd e u h i nd 鹤i 鲫l c db yu n i v e f s i t yo ft c 曲n o l o g y d 媚s d 瞳协s i m l l l a 把t h ec i 啦n s t a l l ，w h i c hw 撼b a s e do nt b es t u d ya b o u th 船t 柚d m o i s t t l 托协m s p c i ni nt h ec 0 棚缸l c t i o no fb 1 1 i l d i | ：l g 强t e m a lw a i l s 越h 伽e 锄【d 曲l m a d 职戴砬r c _ h e dt h eh e 缸越l d 蛳i s t u r e 仃锄l s p o r ti ns a ，耐l 【j 豳d so fe x t 锄a lw a l l sj n 晰 鲥c a la 豫喝h a f b i n ，b 两i n 舀s h 卸垂1 a ia n dg 明n g z h o l l ，o m yd 玲o l d 妇c kw a l l 盘 b u ta l m en e we x t e m a li n s l l l a 衄mf i n i s i l i 】唱w a l l s t h i st h e s i sc o 咀d u d o dh o w l o n gt h eh y 目d t l l 锄a ls t 咖sn e c d s t 0b es t 鞠d y ，锄dt h e h e a t 仃缸s f 打椭c i 伽临锄dw 撕嚏l t c n t sw e ma l s of e s 舶r c h e di nt h es t c a d vs t a t l l s i t 0 0 m p 砌t h eh e a ：t 仃a n s f 钉e 伍c i 伽临i nt b es t d ys t a m s ，t h eb e 量；i 玎n i l l gs t a t l i sa n dn 地 d 璐i 脚e dv a l t h 咖a lp e r 汹l 柚o f t h eb u i l m n gc x t 咖a lw a l l sw 私a 1 e v 山a t e 正 b y 锄a l y z i n gt h ew a t 凹删so f 衄d a t i o 璐i nn 刚麟t 锄a li n j “a l i 丘n i 蛐g w a l l sa f i c rc o 撒灯u d c d ，t h i sm 鹤i so o n d l l d e dt h ef 酬a r i t yo fi 璐l l l a t i 咄a f f = t e j db y d 觚l pi nd i 佼秘日te x t c 】m a li n s i l l 砒i 帆在r i s l l i 】鸣w a l l si nd i 腺蝴l tt y p i c a la f 懿a n dg a v e s o m es u 鬏j 酬o n so nt l l ec l l o i c eo fm l 拼删n g 曲r u c n l 如ds 锄em a t t c f sn o o da t t 训o n d t l r i n g 锄d 撕t h ec 0 咄内1 i c d 咖p 颤o d ha d 删o i l c o n s i 蛳n gt h cp l 麓；锄ts 0 脚a r c n n o td ot h et l l 托翎i m s i o n m 蚰砸c a l 妞n u l a t i o no f h e a t 柚dm o i s t i l | 七仃a m p o ni nl h cc o 邶饥l c t i o 雎，t h ef b a s i b i l i t y o f 职d l l c i n gm “咐- d i m 锄i o nc a l c u l a 虹o nt oo i 璩d i m e n s i o nc a l c l l l a t i o n 啪sa l s os t u d i 。d i l lm i sd i s s e r 叫o i l l 理y w o r d s ：铋吣y 娟c i c n c y 协b u i l d i n g ；e x 土e r n a li l l s u l a 主i o nf i n i s h i n gw a l l ；p o r o 璐 m a t e f i a l ；h e a l 趾dm o i s i 撇缸锄s f b f ；n u m c r i c a ls i l n u l a t i o n c l a s s n o ： 致谢 本论文是在徐字工老师的悉心指导下完成的从论文的选题、方案论证、研 究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量的心血 导师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及对人对 事极负责任的态度，都使作者终生受益两年多来，导师不仅在科研、学业上给 作者提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮助。 作者跟导师不仅学到了丰富的专业知识，而且学会了如何思考，如何开展科研工 作，如何做人。在此论文收稿之际，谨向导师表示深深的敬意和衷心的感谢l 感谢高鸽博士研究生在论文的研究工作中给予的帮助。高鸽在建筑节能方面 的知识非常丰富，每当我遇到难题时，她都会给予作者悉心的指导使得研究可以 顺利进行向高鸽表示衷心的感谢! 在论文的完成过程中，郭冬冬硕士研究生也给予了大力的帮助和支持，在此 向他表示感谢! 感谢北京交通大学曾给予作者关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机电研0 4 _ 4 班全体同学，他们和作者共同营造了良好的学习和生活环境，在学习、生活等各 方面都曾给予作者极大的帮助和支持。作者向他们表示由衷的感谢和良好的祝愿l 最后，感谢我的父母。他们多年来对我的教育、关心和支持，一直是我战胜 困难的精神支柱。 1 绪论 能源是社会发展的重要物质基础，是推动生产力向前发展的动力，是提高人民 群众生活水平的先决条件能源也是当代国民经济发展的支柱之一，能源开发与 利用的技术水平，标志着人类社会的文明与进步，决定着一个国家的竞争实力和 综合国力无论哪个国家，它的经济发展速度，很大程度上取决于能源问题解决 得如何，能源问题对一个国家而言带有战略意义。 2 0 世纪以来，世界建筑科学技术发展突飞猛进，房屋建筑水平迅速提高，采 暖、空调和照明设备技术日益进步，人们能够在优裕和舒适的室内环境中生活和 工作，人类建筑文明取得了前所未有的成就。然而，与这种文明与进步相伴而来 的是一系列严重的负面影响尤其是住宅建筑的采暖、空调、照明等设备消耗了 全球大量的能源，造成能源资源紧张以及大量有害气体和温室气体的排放。 今天，人类社会已进入2 1 世纪，我国正处于建筑节能跨越式发展的年代，面 对着资源枯竭、环境恶化、生态破坏、气候变暖等一系列严峻闯题。我们必须站 在国家和民族利益的高度上，按照可持续发展的要求，对建筑节能开展深入细致 的研究。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着我国现代化建设的发展和人民生活水平的提高，舒适的建筑热环境逐渐 成为人们生活的需要。从气候环境来说，我国大部分地区冬冷夏热，为了维持室 内舒适的热环境，冬季需要采暖，夏季需要使用空调。而采暖和空调都需要消耗 能源来支持。近年来我国建筑能耗的总量逐年上升，根据中国建筑业协会建筑节 能专业委员会的统计，2 0 世纪7 0 年代末我国建筑用能占全国总能耗的l o ，而到 了2 0 0 0 年我国建筑用能己占全国总能耗的2 7 8 【l 】。在一些严寒地区，城镇的建 筑能耗甚至达到当地社会总能耗的5 0 以上随着人民的生活水平不断改善，采 暖空调系统的使用日益普遍，建筑能耗总量及其所占比例还将继续增长，国家的 能源负担将更加沉重。 建筑能耗从狭义观点看，它包括建筑物使用期问所消耗的能量，如供暖、通 风、空调、照明、家用电器以及满足人类活动的其它能耗；从广义观点看，还应 北京交通大学硕士学位论文 包括建筑在建造期间所消耗的能量。由于建筑能耗数量巨大，并且对环境造成重 大污染，建筑节能已经是关系到人类社会发展的重大事件 建筑节能飞n 盯斟明日d c yi nb 试l d i n g ，即提高建筑中的能源利用率，它并 不是消极意义上的节省，而是从积极意义上提高利用效率。它是以降低建筑能耗 为核心，通过对建筑物围护结构和采暖及空调系统进行控制而节能在近三十多 年的时问里，建筑节能在世界各国蓬勃兴起，成为各国关注的热点问题。目前在 许多发达国家，新建建筑被强制性要求达到一定的节能标准，既有建筑也已经或 正在被改造成节能建筑。建筑节能已经成为一个世界性趋势。 由于我国建筑围护结构保温隔热性差，采暖空调系统用能效率低等原因，目 前我国传统的居住建筑单位面积能耗相当于相同气候条件下发达国家两到三倍左 右，因此我国必须推广建筑节能实旌建筑节能既是建造居住建筑的基本要求， 也是提高人们的生活质量，适应社会发展的客观要求 我国建筑节能的发展经历了以下三个阶段： 第一阶段，以1 9 8 6 年建设部民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j2 6 - 8 6 标准的颁布为标志，目标是在1 9 8 0 1 9 8 1 年当地通用设计的基础上节 能3 0 【2 】。此阶段主要围绕外墙内保温形式进行研究，为试点、试验、探索阶段( 强 化节能意识阶段) ； 第二阶段，以1 9 9 5 年建设部民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j2 6 - 9 5 标准的颁布为标志，目标是在1 9 8 0 1 9 8 1 年当地通用设计的基础上节 能5 0 【3 l 。此阶段主要以围绕外墙外保温形式进行研究为主，内保温为辅的试点、 应用、技术创新与提高阶段； 第三阶段，以2 0 0 1 年建设部批准的夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 j g j l 3 2 0 0 l 为标志【4 】。此阶段主要围绕外墙外保温形式进行研究，也是外墙外保 温技术发展的成熟时期，在全国更大范围内推广、普及节能建筑阶段。根据建设 部节能规划，到2 0 2 0 年，我国要通过进一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会 建筑的总能耗能够达到节能6 5 的目标。北京市已经在2 0 0 4 年颁布了居住建筑 节能设计标准d b j o 卜6 0 2 2 0 0 4 ，率先实行节能6 5 的标斛”。 1 1 2 研究意义 建筑围护结构是指建筑物及房间各面的围护物，分为透明围护结构，如窗户、 天窗和玻璃隔断等；不透明围护结构，如墙、屋面和地板等。按是否与室外空气 2 绪论 直接接触，又分为外围护结构和内围护结构在不特别说明的情况下，围护结构 是指外围护结构，如外墙、屋面、窗户、阳台门、外门以及非采暖楼梯间的隔墙 等 维持室内舒适的热环境需要靠室内冷、热源设备提供冷、热量来实现设备 提供的冷、热量主要是通过建筑围护结构散失到环境中的因此围护结构耗热量 是建筑能耗的重要组成部分，约占建筑总能耗的6 0 为了达到建筑物节能6 5 以上的标准，必须尽量减少围护结构耗热量。 图l 建筑能耗比例图 建筑物围护结构耗热量的定义是，在采暖期室外平均计算温度条件下，为保 持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的，需要由室内采暖设备供给 的热量，单位是w m 2 。它是评价建筑物能耗水平的重要指标。 我们通常用公式( 1 1 ) 来计算建筑物围护结构耗热量 q = k ( t - 一t 。) ( 1 1 ) 式中：q ：围护结构耗热量( w ，m 2 ) k ：围护结构传热系数( w m 2 k ) t h ：室内温度( 。c ) t 。：室外温度( 。c ) 从上式中可以看出，当室内、外温度保持不变时，耗热量的大小取决于围护 结构传热系数k 的大小。因此在建筑节能评价中，以k 值大小作为评价建筑物围护 结构是否达到节能要求的主要标准 3 北京交通大学硕士学位论文 而在实际情况中，传热系数i 又不是一个恒定值，它的大小通过公式( 1 2 ) 计算 b 采 式中：伍h ：室内对流换热系数( w ，m 2 k ) a 。室外对流换热系数( w m 2 k ) k ：第i 层材料的导热系数( w ，m k ) 6 i ；第i 层材料的厚度( m ) ( 1 2 ) 在一般情况下，围护结构室内外对流换热系数可以按定值处理，并且围护结 构各层材料的厚度也是确定的，因此k 的大小主要是受各层材料导热系数的影响。 而材料的导热系数又和材料的含湿率q 有关。这是由于围护结构建筑材料大多为多 孔材料，干燥状态下孔隙中只含有空气而当材料受潮后。孔隙中部分空气所占 空间被水替代，由于水的导热系数远大于空气的导热系数，所以材料的实际导热 系数会随着含湿率的增加而增加。因此要确定材料的导热系数进而确定围护结构 的传热系数，必须要知道围护结构中的湿状况。 由此可见，围护结构中的热和湿的状况是相互影响的，传热和传湿是研究藕 处理建筑热环境时不可分割的问题。只有研究围护结构内的热湿耦合传递状况， 才能准确得计算出传热系数k 值，从而确定围护结构的耗热量，为评价建筑物围护 结构的节能效果提供有力的判断依据。 环境中的水分，会由于气候、施工等多种原因进入围护结构。围护结构内的 水分除了会对墙体传热性能造成影响外，还会对建筑物结构产生影响。建筑材料 受潮后，机械强度会明显降低，产生破坏性变形；有机材料还会腐朽，从而降低 使用质量，影响建筑物的耐久性，尤其对文物古建筑来说将造成不可挽回的损失。 另外，潮湿材料上还容易孽生木菌、霉菌和其它微生物，一经散布到室内空气中， 还会影响室内空气品质，严重危害人体健康和环境卫生。 因此，对建筑围护结构热湿传递的研究是一项十分必要的工作。它对建筑物 节能改造，提高室内热舒适性和空气品质以及文物古建筑的保护等具有重要的意 义。 4 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 热湿作用对建筑物有重要的影响根据调查，在只有两千万人口的英国就约 有3 5 0 万的住宅受到热湿作用不同程度的破坏嘲。研究多孔建筑材料的含湿特性以 及材料内部的热湿传递行为，成为各国科学技术工作者极为感兴趣的问题。 在工程设计中，以g l 鸽e r 提出的纯蒸气扩散模型为代表的稳态理论多年来一 直被普遍采用【7 】该模型用几个简单的步骤可以预估出建筑结构内部冷凝的可能性 和冷凝可能发生的位置但此模型最大的局限性在于它假设多孔材料内部只存在 水蒸气，湿传递只是以水蒸气的形式进行的而在实际情况中，多孔材料中液态 水和水蒸气是同时并存同时传递的【引。因此在传递机理上，纯蒸气扩散模型是和实 际情况存在偏差的 l u i k o v 经过对多孔介质内热湿传递的多年研究，提出了一维热湿传递控制方 程组【9 】该方程组奠定了液态水和水蒸气同时传递混合模型的理论基础，此后大量 的工作基本上都是在此基础上开展起来的此模型的优点在于从机理上较真实的 反映了多孔介质中的热湿传递过程。而且由于混合模型基本上都是非稳态的，所 以可以就建筑材料和建筑结构在真实外界条件下长期变化的特性作出模拟。其缺 点在于模型中一些待定参数难以确定，因而无法广泛应用于工程设计中 近年来，随着人们对建筑材料含湿特性的深入了解以及计算机的快速发展， 通过数值方法求解热湿迁移混合模型有了很大进展。上世纪9 0 年代，德国德累斯 顿工业大学和比利时鲁汶大学的研究人员，在【m i k o v 热湿迁移方程组的基础上， 引入了空气和盐分等的传递，分别建立了新的数学模型，并对其进行离散，编制 成了计算机程序【l 川他们利用计算机程序对欧洲部分地区建筑围护结构中的热湿 传递状况进行了数值模拟研究，取得了一定成果【l h 2 】。近年来，加拿大，日本等 国的研究人员也在开展这方面的研究。 1 2 2 国内研究现状 我国在建筑围护结构传热方面进行了大量研究，但对围护结构内热湿耦合传 递开展的研究工作相对较少。 中国建筑科学研究院物理所的杨善勤等人，长期从事建筑围护结构传热和水 5 北京交通大学硕士学位论文 分迁移过程的研究【l 习。他们结合实际工程系统地开展了建筑围护结构防潮、保温、 隔热机理研究，提出了许多计算和设计方法，对一些围护结构提出了改善其热湿 环境的技术措施重庆建筑大学的陈启高教授长期致力于传湿基础理论研究【。 他在建筑冷库围护结构保温材料防潮方面取得了重要的研究成梨”】。哈尔滨工业 大学的研究人员对严寒地区墙体热湿传递闯题进行了一定的研究。上世纪8 0 年代， 许文发等对严寒地区，红砖以及红砖岩棉复合墙体的热湿传递行为进行了研究， 但只是基于纯蒸气扩散模型理论进行的【1 6 1 。9 0 年代初，季杰基于i1 1 j k o v 热湿迁移 理论编制了一个计算机程序，对哈尔滨地区几种常见建筑墙体的热湿传递行为进 行了数值模拟【l “但是他对室外气候条件的处理存在局限性，仅考虑了室外温度 和相对湿度的影响，并没有引入辐射和降雨等因素。2 0 0 1 年，赵立华等对严寒地 区新型外保温复合墙体的传湿问题进行了研究，但也只是基于纯蒸气扩散模型理 论进行的，具有一定的局限性【l 研。近两年来，我国对建筑围护结构热湿传递研究 的进展不大，相关文献很少。 总之，建筑围护结构多孔材料内的热湿传递是一个非常复杂的过程，目前我 国研究人员对它的研究大多只是停留在稳态条件下，纯蒸气扩散理论的阶段。并 且这些研究中都没有考虑到降雨、辐射等许多气候因素的影响，对当前新型节能 建筑广泛采用的复合外保温墙体的热湿传递研究也很少。 中国地域辽阔，气候类型复杂多样。因此，有必要研究在各个地区实际气候 条件下，各类建筑围护结构内热湿传递的长期交化状况，这无论对科学研究还是 工程应用都具有实际的意义。 1 3 研究方法及d e l p h i n 简介 1 3 1 研究方法 对围护结构热湿传递的研究，一般来说有墙体实测、解析分析和数值模拟三 种方法。 墙体实测研究是在建筑热工动态实验台上，按照不同朝向，安装不同材料的 墙体构件，然后在一定时期内进行实际测量进行的。它为进一步的研究提供了实 测数据。但是它需要一定的测量周期，一般研究墙体长期的热湿传递状况需要五 年甚至更长的时间，因此实测周期太长。另外由于测量技术有限，目前只能测量 墙体表面以及内部有限几个点的温度和湿度，无法得到完整的温度场、湿度场及 6 其它相关场数据 解析分析为研究围护结构内的热湿传递提供了理论基础但是由于热湿传递 方程组非常复杂难于求解，因而对复杂条件下墙体的热湿传递状况只能采用简化 模型进行简单的预测分析其局限性在于室内外环境参数都假设为恒定值，并且 忽略热湿传递过程中热和湿的相互影响，传湿过程也无法考虑围护结构内部液态 水的传递，因此在很多情况下计算结果与实际情况偏差较大 近年来，数值模拟研究随着计算机的快速发展和计算方法的不断提高得到了 广泛的应用它不但可以弥补测量数据量少的缺陷，使得研究者能全面分析不同 条件下围护结构内温度场、湿度场以及其它相关场，而且可以缩短测量周期。节 约研究费用并且可以对计算参数进行任意改变，模拟不同条件下围护结构的热 湿传递状况。它还可以对新建建筑围护结构的热湿状况进行预测性计算但是由 于描述围护结构多孔介质内热湿传递的理论还不完善，所以数值模拟的结果必须 与实测数据相互验证才能保证结果的准确性 考虑到墙体实测这种方法需要的测量周期长，测量技术有限；而解析分析法 又只能在简化条件下进行简单计算，计算结果与实际情况偏差较大所以本文采 用数值模拟的方法进行研究。计算工作使用围护结构热湿传递分析专用软件 d e l p h i n 进行 1 3 2d e l p h i n 的简介 为了研究多孔建筑材料内互相耦合的热湿传递现象，德国德累斯顿工业大学 建筑气候研究所开发了数值模拟计算软件d e l p h 玳d e l p h i n 是一个优秀的计 算建筑围护结构内热湿传递的计算工具它可以用于任意气候边界条件下，一维 和二维建筑围护结构内瞬态热湿传递过程的模拟【l o 】。 与国内现有其它同类软件相比，它的优越之处主要有以下几点： 1 、可以计算热湿耦合传递过程，突出传湿对传热的影响； 2 、传湿计算中考虑液态水和水蒸气同时传递： 3 、计算中可以引入任意变化的边界条件，可以采用室内外参数的逐时值； 4 、所用气象参数更加全面，包括温度、相对湿度、短波辐射、长波辐射、降 雨、云量、风速和风向等 d e h i n 的基本程序框图如下图所示： 7 北京交通大学硕士学位论文 铲 鼬脯i 、一i 脞卜铲 = d i 坚l m t 伍tl i 琉r 嚣铺 序 矮 卜 藿曰营 母 理画刁! _ j 面司 嚼十瞽 ! 龇m r 阳出 - l i 郴橱幽婊摩i i 1 t 气象条件数据摩韶 蝴l i l i 1 4 主要研究内容 图2d e l p 删吖基本程序结构示意圈 建筑物围护结构中最具有代表性的是外墙，因为外墙是围护结构上面积最大 且对建筑影响最深的部分，外墙的设计及建造直接影响住宅的能耗量和室内环境。 在建筑物围护结构的传热损失中，通过外墙所消耗的能量占到了5 0 以上，因此 本文以建筑物外墙作为具体研究对象，研究内容主要包括以下几个方面： l 、根据相关国家标准、行业规范和标准数据库的内容完成对墙体结构参数、 室外气象参数、室内环境参数以及建筑材料热物理性能参数的整理，使用d e l p h i n 软件建立墙体热湿传递的数值模型。 2 、通过对已有实际测量数据的墙体算例进行模拟计算，将计算结果与实测数 据进行对比，验证所建立的墙体热湿传递数值模型的准确性。 3 、模拟计算哈尔滨、北京、上海和广州四个热工分区代表城市内，传统红砖 墙体和新型复合保温墙体建成后的热湿传递状况。计算得出各个地区，各种墙体 热湿状况达到稳定状态所需要的时间，以及稳定后的墙体含湿率和传热系数值， 分析墙体的热湿变化规律，比较传热系数初始值、稳定值和设计值之间的差别， 对墙体节能效果进行评价。 8 4 、对比不同地区新型外保温复合墙体建成后前几年，保温材料的含湿率及墙 内空气层相对湿度的变化情况l 总结不同地区、不同承重结构外保温复合墙体保 温材料的受潮规律对不同地区建造外保温复合墙体时承重结构的选择以及施工 中及建成初期的注意事项提出建议 5 、以分离变量法为理论基础，探讨用多个一维数值解迭加的方法来近似得 到墙体热湿传递的多维数值解，以此来实现对多维热湿传递数值计算近似降维的 目的，并据此对墙体二维传热数值计算进行降维尝试 9 北京交通大学硕士学位论文 2 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 由于墙体建筑材料具有多孔特性，所以多孔介质内的热湿传递分析是建筑物 墙体热湿状况分析的理论基础。只有建立好完善的堵体多孔介质材料热湿传递数 值模型，才能够正确模拟建筑物外墙的热湿传递过程，从而分析外墙传热系数和 含湿量的变化规律，为建筑节能改造和建筑结构保护提供有力的科学依据。 本章详细介绍了墙体热湿传递数值模型的建立及求解过程。主要包括墙体物 理模型和数学模型的建立，数值模型的离散及求解和定解条件中各参数的确定方 法及依据，最后还针对具体算例将d e l p h i n 的计算结果与墙体实测结果进行了对 比验证。 2 i 物理模型的建立 2 1 1 模型的选取 为了保证计算所选外墙结构为国家规定的标准结构，本研究从全国建筑设计 标准化办公室编制的建筑结构通用图集中，选取标准的外墙结构作为研究对 象。该图集中详细规定了我国各地区建筑物外墙的组成材料及厚度1 9 1 。下面举例 列出通用图集中一种标准外墙结构的示意图。 1 2 0 l n m 石灰水泥沙浆2 _ _ 3 7 0 l n m 红砖3 _ - 2 0 l n m 水泥沙浆 图3 北京地区红砖墙结构示意图 l o 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 2 1 2 模型的简化 根据以上选取的标准外墙结构示意图，将其进行简化，可以得到简化的外墙 物理模型控制元下面说明物理模型的建立过程。 在不考虑墙边、墙角等特殊部位时，建筑物外墙可以被理想化地看作无限大 平扳，因此可以将模型简化为一维形式，物理模型控制元如图4 所示。模型控制 元按照材料不同分为三层，4 ，破，五分别为各层材料厚度，l 为墙体总厚度。 控制元左侧为室内环境，右侧为室外环境。 盔如如 工= 0工= 三 l 材料l2 材料23 材料3 图4 物理模型控制元 2 2 数学模型的建立 墙体材料属于多孔介质，多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质。 多孔介质内的热湿传递过程是温度场和湿度场相互耦合的复杂过程，主要包括液 态水传递、水蒸气扩散以及热传导流体在多孔介质内流动和扩散的原因有很多， 有重力势、温度和湿度引起的毛细势以及宏观压力势下的迁移，也有温度梯度和 湿度梯度下引起的蒸发和扩散。因此描述多孔介质内的热湿传递过程需要通过多 孔介质热湿传递基本方程组【9 l 。 多孔介质热湿传递基本方程组是多孔介质内热湿传递行为所应遵循物理定律 的数学表达形式。方程组中包含了描述热湿传递特征的物理量，如温度、含湿量、 水蒸气分压力等一般来说，在传热学和流体力学研究范围内，流体运动必须遵 循的物理定律有：质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。这三个定律是 描述流体运动最基本的物理定律。但是在建筑物墙体结构中，多孔材料的孔隙很 北京交通大学硕士学位论文 小，一般可以不考虑流体的宏观运动，因此在系统的数学模型当中只涉及质量守 恒方程和能量守恒方程。下面具体描述一下质量守恒方程和能量守恒方程。 2 2 1 质量守恒方程 质量守恒方程表达形式为： p 。鲁+ 钆鲁罢= 套壶( 聃。老+ 寺薏) 亿t ， 式中：t 为温度 钆为液态水含水量 p v 为水蒸气分压力 为液态水密度 d 。为液态水扩散系数 d 。为水蒸气扩散系数 r 。为水蒸气气体常数 公式中，等号左边第一项表示含水量变化弓l 起的质量增量，第二项表示温度 变化引起的质量增量；等号右边第一项表示液态水扩散质量流量，第二项表示水 蒸气扩散质量流量，k 表示不同的坐标轴方向。 2 2 2 能量守恒方程 能量守恒方程表达形式为： 刚。鲁也鲁+ 帆等，罢= 妾麦 咿 象+ 寺h ，薏+ 九剖 ( 2 2 ) 式中：p m 为多孔介质骨架材料密度 u ，为液态水显热 u 。为多孔介质骨架材料显热 h 。为水蒸气焓 九为导热系数 1 2 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 公式中，等号左边第一项表示液态水含水量变化引起的能量增量，第二项表 示温度变化引起的能量增量；等号右边第一项表示液态水流量引入的能量变化， 第二项表示水蒸气扩散量引入的能量变化，第三项表示导热热流引入的能量变化， k 表示不同的坐标轴方向 将上面的质量守恒方程和能量守恒方程联立，就得到了多孔介质热湿传递的 基本方程组，即 鲁+ 钆鲁罢= 塞麦( 艮。，急+ 嚣薏 。鲁+ 鲁+ 帆争罢；奏壶 艮玑u 。象+ 爵h ，薏+ 九剖 ( 2 3 ) 其中，p v 可以表示为t 和0 ，的函数，因此，针对给定的初始条件和边界条件， 就可以通过上述方程组求出求解区域内各点的温度r 和液态水含水量0 ，从而得 到研究区域内温度场和湿度场的分布。 2 2 3 材料导热系数与含湿率的关系 从前面的分析得知，建筑材料为多孔材料，干燥状态下孔隙中只含有空气。 而当材料受潮后，孔隙中部分空气所占空间被水替代，由于水的导热系数远大于 空气的导热系数，所以材料的实际导热系数会随着含湿率的增加而增加。本文的 研究重点之一在于分析墙体传热系数与含湿率随时间的变化规律。因此，研究中 需要建立一个模型，来描述材料导热系数随含湿率的变化关系。 由于实际情况中材料多孔结构的不确定性，材料导热系数与含湿率之间的关 系异常复杂，至今仍没有明确的公式来进行描述。所以计算中一般采用简化的线 性公式来描述材料导热系数随温度和含湿率的变化关系。常见的模型有以下几种 【l o 】： 1 ) 导热系数为恒定值 九= k ( 2 4 ) 九。：干燥状态下材料的导热系数 此模型为最简单形式，材料导热系数为恒定值，不受温度和湿度的变化影响 2 ) 导热系数仅随温度变化 九= 丸白+ k t ( t 一工d ) ( 2 5 ) k ，：温度变化系数1 0 ：参考温度 北京交通大学硕士学位论文 此模型只考虑温度变化对导热系数的影响，变化规律呈线性。温度变化系数l ( f 的大小通过对材料测试确定 3 ) 导热系数仅随含湿率变化 九= 九由，+ 】【m 中 ( 2 6 ) k 。：含湿变化系数9 ：材料含湿率 此模型仅考虑含湿率变化对导热系数的影响，变化规律呈线性。含湿变化系 数k 血的大小通过对材料测试确定。 4 ) 导热系数随温度和含湿率变化 丸= 九曲+ k m 9 + k t ( t 一1 ) ( 2 7 ) 此模型综合考虑了温度和含湿率变化对导热系数的影响。 通过对材料测量发现，常用建筑材料温度变化系数k 的值很小，数量级一般 为1 0 4 左右，而在正常气候条件下，建筑物温度的变化范围为- 5 0 。c 到5 0 之间， 因此温度变化对材料导热系数的影响很小，可以忽略。而常用建筑材料含湿变化 系数k 。的值较大，数量级一般为o 1 到1 0 之间，在潮湿气候条件下，建筑材料的 含湿率可以达到8 0 以上，因此含湿率变化对材料导热系数的影响较大，不能忽 略【1 6 1 。 综上所述，选取导热系数随含湿率变化公式( 2 6 ) 作为本研究所使用的模型。 2 3 模型的离散及求解 2 3 1 计算域的选取 选取整个墙体作为计算域。室内外空气部分不在计算域内，只需设定温度、 相对湿度等相应的环境参数。墙体与室内外空气接触的部分为边界部分，计算时 需要设定相应的边界条件。 i 蝴气铡k l 缓 髀 鬟 嚣 能 塞 爨 掣一彭腔气舅 嚣 霉 釜 黧嚣 图5 模型计算域示意图 1 4 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 2 3 2 网格的划分 计算域确定之后，需要对物理模型进行网格划分使之离散化。离散时按照不 同材料层进行网格划分不同材料层内网格划分数一般不同网格数的疏密程度 按照计算需要确定网格可以划分为等距网格和非等距网格，具体划分方式根据 研究需要确定 本文研究的是一维数值模型，一维堵体网格的划分方式如图6 所示 图6 墙体模型离散化示意图 2 3 3 数学模型的离散求解 建立多孔介质热湿传递的基本方程组后，需要对其进行离散之后才能进行数 值求解。d e l p h i n 程序采用有限差分法对数学模型进行离散具体过程如下n 哪： 首先定义质量储存系数s i l ，s 。：；能量储存系数s 2 。，s 。和含湿量质量流量j 、， 热流量j u ，如下所示： 质量储存系数： s i i = 几 ( 2 8 ) 1 5 北京交通大学硕士学位论文 能量储存系数： ( 2 1 1 ) s 1 2 吨等 s 2 l = p ，u 。 s 。饥鲁+ 融鲁 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 严。氏。，老+ 寺薏 眨 热流量： 扎卯 象+ 寺h ，鼍+ 九薏 ( 2 1 3 ) 则热湿传递基本方辉绢可以写为以下形式： s “鲁撬罢= 壶严 鲁+ 罢= 壶，” s = 臣卦y = 阱，= 吲 公式( 2 1 4 ) 可以简化为以下形式 匮珠阡一毒冈 即 s 罢一罢 ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 将公式( 2 1 7 ) 应用于划分好的微元矩形网格区域内，假定微元体积为v ，表 面积为a ，对其进行积分，由高斯公式得 1 6 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 户暑a v ；中t 从 旺 它表示微元体内待求未知量随时闯的变化量等于垂直流进流出微元表面的未 知量流量之和 将公式( 2 1 8 ) 应用于所有划分好的微元网格，并将其化为差分方程组的形式， 用来描述整个计算区域内温度和含水量随时间的变化 s i m s 2 v 2 s 厶 如果定义离散向量组d ：l 备2 j 从z j 击匿 ，则方程( 2 1 9 ) 可以简化为 ( 2 1 9 ) s 竖：d( 2 2 0 ) d t 最后将公式( 2 2 0 ) 对时问进行积分，就可以得到含水量和温度随时间和空间 变化的关系式，也就得到了计算区域内随时间变化的温度场和湿度场分布，从而 实现了对多孔介质热湿传递基本方程组的求解 本文中对数学模型的求解运算是通过d e l p h i n 程序中的c v o d e 计算核心完 成。 2 4 定解条件的确定 为了对已建立的数值模型进行求解，还需要引入定解条件定解条件设定的 合适与否，很大程度上决定了模拟计算结果的准确性 1 7 u 巧 q a a a a a a “ 肠 “ 艺m艺h 艺h 北京交通大学硕士学位论文 2 。4 1 室外气象参数 建筑围护结构经历着春夏秋冬四季周期性的变化，气候的变化对建筑物墙体 内的热湿传递有着重要的影响。气候参数主要包括温度、相对湿度、太阳辐射强 度以及降雨量等。为了模拟各地区真实气候条件下墙体内的热湿传递过程，本研 究采用中国建筑热环境分析专用气象数据集中各城市的标准日气象数据逐时 值作为模拟计算使用的气候参数跚。 2 4 2 室内参数 图7 标准日气象数据逐时值( 截选) 室内参数对建筑物墙体内的热湿传递也有着重要的影响。室内参数主要包括 室内温度和相对湿度。采暖或空调房间的室内参数采用g b 5 0 0 1 9 - 2 0 0 3 采暖通风 与空气调节设计规范中的规定值口。非采暖或空调房间的室内参数根据室外气 象参数确定，本研究中设置为室内温度比室外温度高2 ，室内相对湿度与室外 相同。具体数值如下表所示： 1 8 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 表l 采暖季与空调季室内参数设定值 采暖季空调季 温度( ) 1 8 2 6 相对湿度 4 0 6 0 2 4 3 材料热物理性能参数 建筑材料热物理性能参数根据g b 5 0 1 7 6 9 3 民用建筑热工设计规范中附录 四建筑材料热物理性能计算参数确定嘲。该表中详细规定了7 0 多种我国常用 建筑材料基本的热物性参数值。包括材料的干密度、导热系数、蓄热系数、比热 容和蒸汽渗透系数等。表2 中列出本研究中使用到的部分建筑材料的热物理性能 计算参数。 表2 建筑材料热物理性能计算参教 材料名称 干密度k g m 3 导热系数比热容蒸气渗透系数 w m k k j ( k g k )g ，( m h p a ) 红砖1 7 0 00 61 0 50 0 0 0 1 0 5 0 加气混凝土 5 0 0o 1 91 0 5o 0 0 0 1 1 l o 钢筋混凝土 2 5 0 01 7 4o 9 2 o 0 0 0 0 1 5 8 水泥沙浆1 8 0 0 0 9 3 1 0 50 o d 0 0 2 l o 石灰水泥沙浆 1 7 0 00 8 71 0 5o o d 0 0 9 7 5 聚苯乙烯板 2 0o 0 40 3 6o o o o o l 6 2 2 4 4 边界条件 边界条件主要是指墙体内外表面对流换热系数和水蒸气扩散系数，其取值根 据g b 5 0 1 7 6 9 3 民用建筑热工设计规范确定【蠲。其值如下所示： 内表面对流换热系数a 。= 8 7 w m 2 k ； 外表面对流换热系数a 。2 3 、wm 2 k ； 内表面水蒸气扩散系数5 8 8 争0 8s m ； 外表面水蒸气扩散系数1 8 4 e 0 7s m 。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 2 4 5 初始条件 初始条件主要包括墙体的初始舍湿率和初始温度 墙体建筑材料含湿量的大小用含湿率来描述，一般分为质量含湿率和体积含 湿率。质量含湿率是指单位质量建筑材料所含水的质量( 七g 堙) 体积含湿率 是指单位体积建筑材料所含水的体积( 掰3 m 3 ) 本文中除特别说明外，所提到 的含湿率都是指体积含湿率。 本文研究对象为新建外墙体，墙体建成时不同材料的初始含湿率不同。本文 中假定红砖的初始含湿率为1 7 ，加气混凝土的初始含湿率为2 6 ，钢筋混凝土 的初始含湿率为1 0 6 1 复合墙体保温材料的初始含湿率为0 墙体初始温度是指模拟计算开始时，墙体具有的平均温度。假设初始时刻墙 体的温度为均匀分布。不同地区墙体的初始温度根据当地气候确定。由于各个地 区墙体模拟计算的初始时间均为l o 月1 5 日，因此参照各个地区的气候条件，初 始温度假定如下：哈尔滨地区为l o ，北京地区为1 5 ，上海地区为2 0 ，广州 地区为2 5 。 2 5d e l p h i n 的基本介绍 d e l p h 玳可以用来实现建筑物墙体一维和二维热湿传递数值模拟计算，利用 此软件可以计算出不同边界条件及不同初始状态下，不同种类墙体传热系数和含 湿率的大小。结合d e l p h 烈软件计算结果与红外法测量结果，可以方便地计算出 建筑物的能耗水平，以检验其是否能够达到节能标准。 2 5 。ld e l p h i n 的发展 d e l p h i n 软件的发展已经持续了1 8 年之久。 模拟软件的最早版本于1 9 8 8 1 9 9 1 年期间在德累斯顿工业大学以学位论文的 形式发展起来，它可以进行墙体一维热湿传递的数值模拟计算。 第二代版本于1 9 9 4 - 9 6 年发展起来。与第一代版本相比，它的主要进步是实 现了由一维计算向二维计算的发展。另外，它还引入了求解软件包将计算速度提 高了4 0 倍，并且能够处理交化的边界条件。 1 9 9 8 年至今，d e l p h i n 软件得到了快速发展，目前已经发展为第四代版本。 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 它将c v o d e 软件包应用于其中，使计算速度比第2 代版本又提高了8 0 倍。另外， 软件还进行了工程热力学方面的延伸，建立了新的毛细压力梯度模型，并引入相 位分隔理论，使其对复杂研究区域内和变化边界条件下墙体热湿传递的计算能力 以及对结果的后处理能力都有了明显提高【埘 2 5 2d e ”m n 计算结果的验证 为了验证利用d e l p h i n 软件建立的墙体热湿传递数值模型的准确性，本文对 哈尔滨地区新建4 9 0 m m 红砖墙和3 0 0 m 加气混凝土墙两个具体算例进行了模拟 计算，分析了两种墙体建成后五年内的热湿状况，并和实际测量数据进行了对比。 红砖墙是我国长期以来广泛使用的旧式墙体，加气混凝土墙体是一种新型保 温墙体，两种墙体的结构示意图分别如图8 和图9 所示： 水泥沙浆 l 2 0 m m 石灰水泥沙浆2 3 0 0 m m 加气混凝土3 - - 2 0 m m 水泥沙浆 图9 加气混凝土墙结构示意图 2 l 囱= 屠 北京交通大学硕士学位论文 室内环境参数，初始条件和边界条件的设置如2 4 节所述，室外气候参数仅考 虑温度、相对湿度和太阳辐射的影响红砖初始含湿率为1 7 ，加气混凝土初始 含湿率为2 6 i l 。 通过d e l p h i n 计算得到墙体温度场、湿度场和热流密度的每日瞬时值。根据 结果计算出墙体传热系数和含湿率的日平均值，然后在采暖季内取平均值，最终 整理得到墙体传热系数和含湿率的各采暖季平均值。按照g b 5 0 1 7 6 - 9 3 民用建筑 热工设计规范中的规定，哈尔滨地区采暖季为每年的l o 月1 5 日至次年的4 月7 日，共1 7 6 天圈。模拟计算从第一年l o 月1 5 日开始，总时长为5 年。 以下结果验证中使用的哈工大模拟值是指哈尔滨工业大学研究人员在9 0 年代 初，编制了一套计算自然气候条件下建筑墙体热湿传递的通用程序j j m ，利用该 程序计算得到的模拟值【埘测量值是指1 9 8 7 年1 1 月，哈工大研究人员在箱式动 态实验台上，按照南北朝向安装了4 9 缸强厚红砖墙体构件。从i 9 8 7 年冬开始进 行实际测量，经过1 9 8 8 1 9 9 0 年连续三个采暖季的测量，得到的墙体实测值【1 6 1 。 对哈尔滨地区新建4 9 俯姐红砖墙建成五年内的热湿变化状况进行模拟计算， 计算值和哈工大模拟值以及实际测量值比较如下： 表3 哈尔滨地区新建4 m m 红砖墙传热系数计算值与囊量值 ( 单位：w m 2 k ) 哈工大模拟值d e l p h i n 模拟值测量值 第一采暖季 1 ，4 8 71 4 7 7 未测 第二采暖季 1 2 4 4 1 2 4 21 2 3 5 第三采暖季 1 1 3 21 1 4 71 1 6 2 第四采暖季1 1 2 9l ，0 8 81 0 5 3 第五采暖季未算1 0 4 5 未测 墙体热湿传递数值模型的建立及求解 图加哈尔滨地区棚岫m 红砖墙体建成五年内传熟系数变化曲线 从图l o 中可以