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周期性边界下墙体内热湿迁移的数值分析东南大学 郑佳宜 陈振乾 施明恒摘要：本文通过对多孔介质热质耦合迁移主要机理的分析和合理的假设，建立了墙体内热质耦合迁移的一维数学模型，模拟了墙体在周期性边界条件下，考虑墙体吸附解析热时的热量和湿量迁移和分布规律。计算结果表明，在周期性边界条件下温度和湿度的梯度方向出现周期性变化。关键词：多孔介质，热湿耦合，模拟，周期性边界引言近年来，能源危机成为整个世界所面临的迫在眉睫的问题，世界平均建筑能耗占总能耗的37，而包括采暖、通风、空调、照明在内的民生能耗又占建筑能耗的80以上。我国建筑能耗约占全国总能耗的25，且由于近年来住宅建筑迅速增多，年增长率高达15%。而我国采暖空调标准远低于国际水平，随着生活水平的提高，建筑能耗，特别是采暖空调能耗，呈增长趋势1。节能墙体属于建筑节能的一个分支，对于建筑节能有着举足轻重的作用。因此，一种保温调湿性能好的墙体对于能源节约的意义将是深远的。本文以加气混凝土为例，加气混凝土属于一种孔隙尺寸很小的多孔介质，具有调节室内湿度的作用。随着现代社会的飞速发展，科学技术的突飞猛进，人们所面对的是快节奏的生活，巨大的工作学习压力；幢幢高楼拔地起，也使人们的活动空间剧减；因此室内的健身房成为现代都市的新宠。健身房内是一个周期性的产热产湿的场所，而且热量湿量具有集中、量大的特点。加之，健身场所项目的多样性，对墙体材料的隔声有较高的要求，加气混凝土与现在建筑中常用的粘土砖相比，具有质量轻，吸声性能好，保温隔热，调节室内湿度的作用，因而，加气混凝土是作为现代围护结构材料的很好的选择，其作为墙体材料如图1所示。基于此，本文对多孔介质墙体材料在周期性边界条件下的热质耦合迁移进行了数值模拟，并对计算结果进行分析和提出解决的方案。1 热湿耦合传递机理热量和湿量在加气混凝土墙体材料中的迁移机理十分复杂，包括：气体分子和液体分子的扩散；液体分子的渗透流动；气体和液体之间相变传热与流动；固体吸附气体和液体时产生的热量等。在本模型中进行了适当的假设，如下：(1)多孔介质是各向同性的；(2)在热湿耦合迁移中无相变传热与传质，为单纯的水蒸汽在多孔介质中扩散；(3)固相、气相导热系数、扩散系数、对流传热传质系数都为常数；(4)无化学反应，固体骨架、气相均不可压缩；(5)考虑固体骨架吸附解吸水蒸汽时产生的热量。吸附热是指吸附过程产生的热效应。在吸附过程中，气体分子移向固体表面，其分子运动速度会大大降低，因此释放出热量。基于此假设，提出如下数学模型。 图1 墙体热湿传递示意图2 热质耦合迁移一维数学模型的建立2.1 热质耦合迁移的控制方程本模型考虑了一厚度为m的多孔介质墙体吸附解吸水蒸汽时产生的热量对墙体热量和湿量变化的影响，没有考虑水和水蒸汽迁移过程中的相变潜热，因此，在Nol Djongyang 2和 Rafik Belarbi3模型的基础上建立了如下多孔介质墙体热湿耦合迁移模型，边界条件由改进的Luikov and Mikhailov 4得到2.2 初始条件和边界条件初值条件：时， 时， 时， 墙体含湿量 ；T墙体温度 K.下标in室内out室外t温度m湿度2.3 室内周期性产热和产湿假设小型健身房每隔两小时供人们运动一次，运动一次的时间分别为20min，40min，60min，80min，100min，120min，产热量Q和产湿量W查表1得到5。室内能量和质量守恒方程如下：Q=W=表1 不同温度条件下成年男子散热量、散湿量体力活动性质热湿量(W) (g/h)室内温度()212223242526272829重度劳动排练厅室内运动场显热163157151145140134128122116潜热244250256262267273279285291全热407407407407407407407407407湿量3653733823914004084174254343 数值模拟实验的模拟是以密度为1800的加气混凝土材质的墙体为研究对象，加气混凝土墙体材料的热物性参数如表2，对热湿耦合迁移的控制方程、初始条件、边界条件进行离表2 热物性参数表参数符号参数名称单位数值热扩散系数质扩散系数热导率0.6湿导率对流换热系数15对流传质系数气体常数461.52（水蒸汽）吸附解析热10散化处理，时间项采用隐式格式，空间项采用中心差分格式，对控制容积进行离散化处理；本例采用先确定节点再确定控制容积界面的网格计算方法；对于室内周期性产热、产湿的能量和质量守恒方程，则采用改进的欧拉法进行求解。4 结果与讨论本文模拟了不同热源和湿源持续时间(20min，40min，60min，80min，100min，120min)的墙体内温度和湿度分布，如图2和图3所示：从模拟的结果可以看出：4.1 随着室内热源和湿源周期性的变化，加气混凝土墙体的调湿能力非常有限，但是保温性能相对较好；为此，要在如何改进加气混凝土墙体的调湿性能方面着手，这就需要我们进一步研究调湿材料的调湿机理，生产出高性能的调湿材料并将其贴敷于墙体表面或者掺入加气混凝土中，生产出具有优良性能的加气混凝土板材，从而改善加气混凝土墙体调节室内湿度的能力。4.2 随着室内热源和湿源持续时间的加长，墙体内部温度分布的峰值和湿度分布的峰值是逐渐向墙体内部移动的，不同的室内热源和湿源持续时间所对应的墙体内温度和湿度的峰值是先增加再减小的，在本模拟中60min的峰值最大，由此可见，室内热源和湿源的持续时间越长，墙体内部分布越趋于均匀一致。4.3 随着室内热源和湿源持续时间的加长，无热源和湿源阶段墙体内温度和湿度下降的加快。墙体温度和湿度与周围环境相差越大，热梯度势和质梯度势就越大，因此，热量的传递和质量的传递就越迅速。5 结论本文建立了多孔介质墙体热质耦合迁移的数学模型，计算了在周期性热源和湿源作用下墙体内的温度和湿度分布。模拟结果表明，随着室内热源和湿源持续时间的增长，墙体内温度和湿度分布的峰值先增加再减小，而且逐渐靠近墙体内部；随着室内热源和湿源持续时间的增长，当不加热源时，墙体与周围空间换热速率增加。参考文献1罗忆，刘忠伟，建筑节能技术与应用M，化学工业出版社，2007.72 Nol Djongyang, Rene Tchinda, Donatien Njomo, A study of coupled jeat and mass transfer across a porous building component in inter-tropical conditionsJ, Energy and Building ,2009, 41: 4614693Rafik Belarbi, Menghao Qin et al. Experimental and theoretical investigation of non-isothermal transfer in hygroscopic building materialsJ, Building and En