建筑室內(nèi)濕空氣流動(dòng)輸運(yùn)機(jī)理綜述

陳文昌李朝軍蔡玲玲趙福云，2王漢青寇廣孝

1湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院

建筑室內(nèi)濕空氣流動(dòng)輸運(yùn)機(jī)理綜述

陳文昌1李朝軍1蔡玲玲1趙福云1，2王漢青1寇廣孝1

1湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院

長(zhǎng)期以來(lái)，室內(nèi)通風(fēng)條件下熱濕耦合遷移機(jī)理沒(méi)有被清楚認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致了建筑能耗的提高和室內(nèi)空氣品質(zhì)的降低。建筑室內(nèi)濕空氣遷移是外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境耦合產(chǎn)生的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等多場(chǎng)相互作用的結(jié)果；另外伴隨著室內(nèi)濕空氣水分蒸發(fā)與冷凝過(guò)程的作用，其室內(nèi)環(huán)境遷移機(jī)制更趨復(fù)雜。本文綜述了室內(nèi)水分遷移、蒸發(fā)和結(jié)露等各類數(shù)學(xué)模型，并提出了未來(lái)需要重點(diǎn)研究的基礎(chǔ)問(wèn)題；這些研究將對(duì)于南方熱濕地區(qū)充分利用自然通風(fēng)、降低建筑能耗等具有重要意義。

水分遷移 蒸發(fā)與結(jié)露 建筑節(jié)能 自然通風(fēng)

人的大部分時(shí)間都是在室內(nèi)度過(guò)的，良好的室內(nèi)環(huán)境對(duì)人的健康至關(guān)重要。室內(nèi)熱濕傳遞對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響很大，要從機(jī)理上去探索室內(nèi)熱濕耦合傳遞機(jī)理，必須通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)溫度梯度和水分濃度梯度等多場(chǎng)相互作用下的室內(nèi)熱濕傳遞進(jìn)行分析研究，分析驅(qū)動(dòng)力之間的相互作用以及對(duì)熱濕傳遞的影響。本文從室內(nèi)濕空氣水分遷移的理論分析模型，數(shù)值模擬研究，自然通風(fēng)或自然對(duì)流水分遷移研究，冷凝與蒸發(fā)相變過(guò)程研究等四個(gè)方面，綜述了溫度梯度和水分濃度梯度等多場(chǎng)作用下室內(nèi)濕空氣流動(dòng)輸運(yùn)機(jī)理，提出了未來(lái)需要重點(diǎn)研究的基礎(chǔ)問(wèn)題。

1　室內(nèi)濕空氣水分遷移理論分析模型

室內(nèi)相對(duì)濕度變化主要是由濕空氣遷移引起，同時(shí)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕物性、換氣次數(shù)、室內(nèi)熱濕源的散發(fā)等作用也是不可忽略的。水分積累是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性、絕濕性、耐久性等性質(zhì)的一個(gè)重要因素，墻體間隙冷凝是對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響最明顯的一種水分積累宏觀現(xiàn)象。1990年以前建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水分遷移研究大多停留在實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)上，沒(méi)有一套理論方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性，同時(shí)經(jīng)驗(yàn)性的解決方法衍生了許多不確定傳遞系數(shù)。從圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)相對(duì)濕度來(lái)看, Trechsel[1]提出水分運(yùn)輸?shù)乃姆N形式：水蒸氣運(yùn)輸（比如由于水蒸氣壓力差引起的擴(kuò)散，如圖1所示）、液體運(yùn)輸、固體運(yùn)輸、吸附物運(yùn)輸，濕空氣吸收水蒸氣的量與濕空氣的溫度密切相關(guān)，當(dāng)濕空氣溫度高時(shí)，其吸收的水蒸氣多；當(dāng)濕空氣溫度低時(shí)，其吸收水蒸氣少。根據(jù)室內(nèi)濕空氣發(fā)生冷凝結(jié)露與否，Cunningham[2，3]建立了由空氣滲透、水蒸氣擴(kuò)散和材料非穩(wěn)態(tài)下吸放濕三者之間相互作用的水分平衡模型。將水蒸氣當(dāng)作理想氣體，室內(nèi)水分平衡方程：

式中：V是腔體體積，m3；C是空氣水分濃度，kg/m3；m是吸放濕材料中水分濃度，kg/m3；p是水蒸氣分壓力，Pa；Ai是水蒸氣從室外流向室內(nèi)的有效表面積，m2；Am吸放濕材料的有效表面積，m2；F是空氣換氣次數(shù)；h是吸放濕材料平均蒸汽傳導(dǎo)率，kg/(N·s)；K是吸放濕曲線的平衡常數(shù)，m2/s2；i，o分別代表室外、室內(nèi)。

圖1　由于水蒸氣分壓力差引起的水分遷移

當(dāng)室內(nèi)外水蒸氣分壓力差、室內(nèi)換氣、吸放濕材料三者引起的水分遷移達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過(guò)理論分析解決三類模型問(wèn)題：穩(wěn)定狀態(tài)模型，階梯函數(shù)模型，階段氣候驅(qū)動(dòng)力模型，得出不同狀態(tài)的室內(nèi)水分濃度函數(shù)。Rousseau[4]和Cunningham[5～6]在此基礎(chǔ)上通過(guò)分析提出引起室內(nèi)墻體間隙冷凝的四大因素：驅(qū)動(dòng)力（外界氣候）、溫度梯度、水蒸氣濃度、濕傳遞路徑，當(dāng)墻體部件中某點(diǎn)的水分濃度由于水分的移動(dòng)和擴(kuò)散積累，大于該點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)下的飽和水分濃度時(shí)，間隙冷凝開(kāi)始形成；同時(shí)闡述了墻體發(fā)生間隙冷凝的條件以及預(yù)防有害冷凝發(fā)生的措施。墻體間隙冷凝對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很大的危害，一般通過(guò)設(shè)置空氣阻滯層和絕熱層降低墻體間隙冷凝程度，減弱其對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。

后來(lái)，Cunningham[7]通過(guò)對(duì)上述模型[2～3]進(jìn)一步改進(jìn)，增添濕源作用，得腔體內(nèi)水分平衡方程：

式中：g是濕源質(zhì)量傳遞系數(shù)，kg/(N·s)；Pg是濕源蒸發(fā)表面水蒸氣分壓力，Pa；其他參數(shù)同式（1）。從理論上引入線性干燥速度和干燥時(shí)間常數(shù)，對(duì)水分濃度函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化得：

式中：co是腔體水蒸氣濃度，kg/m3；Co腔體最初水蒸氣濃度，kg/m3；是水蒸氣平均濃度，kg/m3；C、D是無(wú)量綱參數(shù)；t是時(shí)間，s；t1、t2是無(wú)量綱時(shí)間常數(shù)。

對(duì)新模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，有許多采取平均值以及電路循環(huán)類比的方法確定水分運(yùn)動(dòng)的阻力形式，這種簡(jiǎn)化思想是很重要的。將這種數(shù)學(xué)模型運(yùn)用推廣到其他環(huán)境下，也是很有意義的。雖然一些關(guān)鍵參數(shù)的簡(jiǎn)化處理限制了模型的使用范圍，但是它為以后的研究者提供了一個(gè)良好的模型平臺(tái)。

2　室內(nèi)濕空氣水分遷移數(shù)值模擬研究

隨著計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算成為研究流體流動(dòng)規(guī)律的一個(gè)重要工具。結(jié)合理論分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬計(jì)算三種方法，流體流動(dòng)的探索研究更加具有可操作性，驗(yàn)證性。陳友明等人[8]通過(guò)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞過(guò)程和建筑內(nèi)表面吸放濕過(guò)程作為兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程進(jìn)行拉帕拉斯變換和相應(yīng)函數(shù)變換，假設(shè)室內(nèi)空氣混合充分和室內(nèi)壁面及各物體間溫差較小，忽略它們之間的輻射，得單一常微分方程描述室內(nèi)能量和水分的平衡方程：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；Ca為空氣比熱容，J/(kg·K)；Tin、Tout為室內(nèi)外空氣溫度，K；P為空氣總壓，Pa；Xin、Xout為室內(nèi)外空氣含濕量，kg/kg；Qin室內(nèi)產(chǎn)熱量，W；Win為室內(nèi)產(chǎn)濕量，kg/s；Q為空調(diào)設(shè)備供熱量，W；Wc為空調(diào)設(shè)備除濕量，kg/s；Vv為換氣量體積，m3/s；Vin為室內(nèi)空氣體積，m3；Pin為室內(nèi)空氣水蒸氣分壓力，Pa；S為室內(nèi)放濕表面面積，m2；J為室內(nèi)傳熱面總數(shù)；Qr為室內(nèi)表面吸放濕過(guò)程吸收或釋放的熱量，W。

以傳遞函數(shù)形式描述圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和吸放濕過(guò)程，建立模擬室內(nèi)條件及其相關(guān)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)模型，并用該模型對(duì)一個(gè)內(nèi)貼石膏板房間進(jìn)行熱濕耦合傳遞模擬分析，結(jié)果表明：建筑內(nèi)表面吸放濕過(guò)程對(duì)室內(nèi)濕度具有非常明顯的調(diào)節(jié)作用，可減小室內(nèi)濕度的變化幅度，對(duì)空調(diào)潛熱負(fù)荷有較大的影響。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕特性與室內(nèi)熱濕環(huán)境是相互影響的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕功能能夠緩和室內(nèi)相對(duì)濕度變化，起到調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境的作用；室內(nèi)熱濕環(huán)境又影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸放濕特性，兩者之間是密不可分的。蘇向輝和昂海松[9]通過(guò)建立沿墻厚度水蒸氣壓力和相對(duì)濕度分布、水蒸氣流量及濕積累量的數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)墻內(nèi)相對(duì)濕度最大值點(diǎn)隨空氣滲透率變化，墻內(nèi)外表面的相對(duì)濕度、室內(nèi)溫度、滲透率以及空氣的滲流速度是影響墻內(nèi)濕遷移的主要因素。Lu[10]從理論上采用有限元法分析室內(nèi)濕空氣遷移問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)建筑室內(nèi)水分流動(dòng)主要由換氣、壁面水分?jǐn)U散、濕源散發(fā)等引起。Tenwolde等人[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法和理論分析的方法，研究室內(nèi)熱濕源對(duì)水分散發(fā)的影響。結(jié)果表明濕源的水分散發(fā)速度一般不是常數(shù)而是隨著室內(nèi)濕度變化的（如圖2所示[11]）。王軍等人[12]采用不可逆熱力學(xué)分析，結(jié)合室內(nèi)溫度水平和污染物氣體濃度水平，分析了濕度影響下的交叉擴(kuò)散特征與水平。Qin等人[13]對(duì)以熱濕氣候?yàn)榇淼闹袊?guó)香港和溫和氣候?yàn)榇淼姆▏?guó)巴黎進(jìn)行研究，建立整個(gè)建筑熱濕傳遞平衡方程：

式中：ρ為材料密度，kg/m3；CP為材料比熱，J/(kg·K)；A為表面面積，m2；αj是熱傳遞系數(shù)，W/(m2·K)；T0是外部空氣溫度，K；Ti是室內(nèi)溫度，K；Qsol為由于太陽(yáng)輻射的熱流量，W；n是換氣速度，1/h；Qin是室內(nèi)的熱源（人、照明、設(shè)備），W；Qvent由于通風(fēng)引起的熱流量，W；Vo是外部空氣的水氣汽濃度，kg/m3；gin,j是從內(nèi)表面進(jìn)入房間的水分流量，kg/(s·m2)；Mprod、MHVAC、Mven分別是代表水分產(chǎn)生量，kg/h；由于通風(fēng)和空調(diào)引起的水分流量，kg/h。

圖2　室內(nèi)濕源的散發(fā)

研究表明建筑墻體內(nèi)的水分傳遞和墻體內(nèi)外表面的水蒸氣吸收和釋放作用對(duì)室內(nèi)濕度影響很大。建筑材料對(duì)水分吸收可以緩解室內(nèi)相對(duì)濕度變化，預(yù)熱和預(yù)冷對(duì)建筑供冷供熱有很大的節(jié)能效果。付傳清[14]根據(jù)Fick定律和質(zhì)量守恒定律，研究提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土中濕度場(chǎng)的分布對(duì)氯離子的分布影響顯著。閆幼鋒等人[15]以三種常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料（土壤、竹子、砌筑體）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層恰當(dāng)布置，對(duì)防止其內(nèi)部冷凝和表面結(jié)露有重大意義。劉京等人[16]利用日本教授松本衛(wèi)等提出的熱水分同時(shí)傳遞理論，建立考慮建筑材料吸放濕狀態(tài)計(jì)算模型，對(duì)建筑室內(nèi)相對(duì)濕度場(chǎng)變化進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明環(huán)境溫濕度變化時(shí)，由于建材吸放濕功能，能夠自動(dòng)緩和室內(nèi)濕度變動(dòng)，起到調(diào)節(jié)室內(nèi)濕環(huán)境的作用，室內(nèi)溫濕度的變化對(duì)建材的吸放濕特性也有很大影響。

3　自然對(duì)流或自然通風(fēng)室內(nèi)濕空氣水分遷移研究

在建筑通風(fēng)模式中，自然通風(fēng)是一種既普遍又經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)模式。自然對(duì)流的兩大驅(qū)動(dòng)力：熱煙羽和濕煙羽。熱煙羽是室內(nèi)溫度差引起，濕煙羽是室內(nèi)水分濃度差引起。Wee等人[17]通過(guò)模擬二維封閉矩形腔體自然對(duì)流作用下的熱濕傳遞，發(fā)現(xiàn)溫度梯度引起的對(duì)流較水分濃度梯度引起的擴(kuò)散效果強(qiáng)，溫度梯度增加對(duì)濕傳遞有很大的增強(qiáng)作用，而水分濃度梯度增加對(duì)熱傳遞沒(méi)有顯著增強(qiáng)作用。當(dāng)溫度梯度和水分濃度梯度方向一致時(shí)，流體流動(dòng)增強(qiáng)，熱濕傳遞速率加快；當(dāng)兩者相反時(shí)，流體流動(dòng)減弱，但是溫度梯度起主導(dǎo)作用。Costa[18,19]也進(jìn)行了相似的研究工作，在正方形和平行四邊形腔體中，耦合了墻體熱質(zhì)傳遞，模擬發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本相似。當(dāng)腔體幾何比例小于1時(shí)，隨著傾斜角度增大，努塞爾數(shù)Nu和舍伍德數(shù)Sh先增大再減小，有最大值。努塞爾數(shù)Nu和舍伍德數(shù)Sh的最大值與傾斜角θ、幾何比例H/L具體的函數(shù)關(guān)系，是一個(gè)很有意義的研究方向，因?yàn)榕麪枖?shù)Nu和舍伍德數(shù)Sh直接代表腔體熱濕傳遞速率。溫度梯度與水分濃度梯度的相互作用是緊密聯(lián)系的，彭昊[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)熱遷移和質(zhì)遷移是相互影響的，水分不僅在質(zhì)遷移勢(shì)梯度作用下發(fā)生遷移，而且在溫度梯度影響下同樣發(fā)生遷移，這稱為水分的熱擴(kuò)散。汲水[21]認(rèn)為濕度梯度和溫度梯度對(duì)室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)遷移和擴(kuò)散過(guò)程有顯著影響（如圖3所示[21]），由于溫度梯度差產(chǎn)生自然對(duì)流，靠近壁面的流體被加熱，密度減小，產(chǎn)生浮升力，向上運(yùn)動(dòng)；靠近冷壁面的流體被冷卻，密度增大，向下運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)腔體內(nèi)形成環(huán)流。當(dāng)熱浮升力和濕浮升力與污染物濃度浮升力方向一致時(shí)，相互加強(qiáng)；反之，相互消弱。

圖3　熱浮升力與濕浮升力的相互作用

自然對(duì)流下溫度梯度和水分濃度梯度的相互作用，在封閉腔體與非封閉腔體模型中呈現(xiàn)相似的規(guī)律。趙福云等人[22]通過(guò)模擬研究當(dāng)周?chē)h(huán)境與室內(nèi)溫濕度呈四種不同工況（熱濕、熱干、冷干、冷濕）時(shí)的濕空氣流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濕浮升力與熱浮升力比值N遠(yuǎn)小于1時(shí)，自然對(duì)流強(qiáng)度在外界環(huán)境溫度低時(shí)較強(qiáng)，在外界環(huán)境溫度高時(shí)較弱。當(dāng)N接近于1，外界環(huán)境為熱干、冷濕時(shí)，兩種驅(qū)動(dòng)力方向相反，相互抑制，降低了腔體內(nèi)的熱濕傳遞強(qiáng)度；當(dāng)外界環(huán)境為熱濕、冷干時(shí)，兩種驅(qū)動(dòng)力方向相同，相互促進(jìn)，增強(qiáng)了熱質(zhì)傳遞強(qiáng)度。在我國(guó)南方濕熱地區(qū)，夏季高溫高濕，對(duì)應(yīng)模型中熱濕工況，雖然熱浮升力與濕浮升力方向相同，流體流動(dòng)有促進(jìn)作用，但自然對(duì)流強(qiáng)度較小，且在腔體垂直方向溫度梯度和水分濃度梯度都很大，對(duì)室內(nèi)熱舒適度有不利影響。上述研究[22]對(duì)研究我國(guó)南方夏季悶熱潮濕地區(qū)的水分遷移機(jī)理有很大的幫助。劉娣等人[23]結(jié)合墻體與非封閉腔內(nèi)流體熱濕擴(kuò)散系數(shù)比值模擬研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熱浮升力與濕浮升力方向相同時(shí)，腔體內(nèi)流動(dòng)強(qiáng)度和體積流動(dòng)速率都隨著墻體厚度的增加而減小，體積流動(dòng)速率隨著瑞利數(shù)Ra的增大而增加，然后達(dá)到最大值。

自然對(duì)流熱濕傳遞模型是實(shí)際生活中最常見(jiàn)的一種模型，無(wú)論是封閉還是非封閉腔體研究對(duì)提高室內(nèi)熱舒適度都有重大的意義。結(jié)合主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力和建筑結(jié)構(gòu)的熱濕物理性質(zhì)，研究建筑室內(nèi)濕空氣自然對(duì)流傳遞規(guī)律，對(duì)提高室內(nèi)舒適度、降低建筑能耗有著十分重大的意義。

4　室內(nèi)濕空氣冷凝與蒸發(fā)相變過(guò)程研究

目前許多研究只是針對(duì)水分遷移規(guī)律進(jìn)行探索，而忽略了水分最重要的物理性質(zhì)——相變。水分相變最常見(jiàn)的兩種形式：蒸發(fā)與冷凝。當(dāng)水分遷移未考慮冷凝結(jié)露時(shí)，計(jì)算出該點(diǎn)水分濃度超過(guò)該點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的飽和濃度，則認(rèn)為模擬計(jì)算不合理，須重新調(diào)整邊界條件。這種方法不僅在實(shí)際工程中有很強(qiáng)的可行性，而且同樣適應(yīng)模擬中水分結(jié)露的判斷。

呂琳等人[24]針對(duì)香港某體育館出現(xiàn)的滴水問(wèn)題，進(jìn)行了理論研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集分析，發(fā)現(xiàn)濕熱地區(qū)夏季濕空氣在屋頂多孔保溫材料層中遷移會(huì)導(dǎo)致冷凝結(jié)露，冷凝水長(zhǎng)期積聚會(huì)腐蝕和破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)，增大空調(diào)負(fù)荷。Gorelik等人[25]根據(jù)平均自由路線法和直接統(tǒng)計(jì)模擬法，從理論上研究水分穿過(guò)多孔板到真空環(huán)境的蒸發(fā)與冷凝熱濕傳遞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)冷凝系數(shù)減小時(shí)，氣體蒸發(fā)速率受到抑制，潮濕面積減小，但是冷凝強(qiáng)度增加。因?yàn)樗肿釉谝粋€(gè)更加狹小區(qū)域內(nèi)被吸收。多孔固體表面厚度越薄，水分的蒸發(fā)過(guò)程與敞開(kāi)面蒸發(fā)越相近。當(dāng)多孔固體板與熱濕源溫差增大時(shí)，氣體蒸發(fā)增加，反之，氣體蒸發(fā)減弱。后來(lái)，Bouddour等人[26]將氣體看成干空氣和水蒸氣的組成，假定氣液兩相接觸面的蒸發(fā)速度為蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘以蒸氣相流動(dòng)速度，根據(jù)準(zhǔn)則數(shù)級(jí)數(shù)，和多孔介質(zhì)的孔徑大小以及均化方法的適應(yīng)范圍，從理論上提出了多孔介質(zhì)熱濕傳遞冷凝-蒸發(fā)模型方程：

式中：ng為氣態(tài)相的多孔率（無(wú)量綱）；ρg0為氣體密度，kg/m3；wv為蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（無(wú)量綱）；vgioeff為氣相宏觀速度，m/s；x為空間變量（無(wú)量綱）；Dij*為有效擴(kuò)散張力，m2/s；qvΓgL是單位體積的蒸汽源項(xiàng)，kg/(m3·s)。這對(duì)多孔介質(zhì)中水分傳遞理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算以及蒸發(fā)-冷凝模型簡(jiǎn)化都有巨大的指導(dǎo)意義。

水面的蒸發(fā)-冷凝產(chǎn)生的熱濕傳遞對(duì)腔體內(nèi)的熱濕分布有著直接的影響。Yan等人[27]發(fā)現(xiàn)自然對(duì)流下濕墻表面的熱傳遞主要依靠水膜表面蒸發(fā)和冷凝產(chǎn)生的潛熱，蒸發(fā)和冷凝潛熱交換對(duì)整體熱量交換影響很大，從而影響壁面含濕量的變化。劉京等人[28]通過(guò)假設(shè)水面向周?chē)h(huán)境的熱流量和水分流量為常數(shù)，發(fā)現(xiàn)水分相變引起的熱量變化遠(yuǎn)大于對(duì)流以及傳導(dǎo)等作用引起的熱傳遞，水面熱濕傳遞速率與水面面積無(wú)關(guān)，而與換氣次數(shù)和壓力梯度差有關(guān)。水面溫度的增加或者周?chē)諝鉁囟鹊慕档投紩?huì)增加水面上的熱濕傳遞強(qiáng)度。

水分蒸發(fā)-冷凝與室內(nèi)通風(fēng)模式同樣也是相互聯(lián)系的。Asbik等人[29]以一個(gè)充滿飽和多空介質(zhì)，左邊壁面設(shè)置水分滲透速度，考慮頂面熱輻射和蒸發(fā)熱流量作用的二維腔體模型為研究對(duì)象，數(shù)值模擬腔體頂面的蒸發(fā)速度，以格拉曉夫數(shù)Gr與雷諾數(shù)Re的比值（0.1，1，100）來(lái)判定腔體內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)（強(qiáng)制、混合、自然對(duì)流），發(fā)現(xiàn)輻射熱與傳導(dǎo)熱比值的增加會(huì)增大腔體頂面水分的蒸發(fā)速度，且自然通風(fēng)情況下水分蒸發(fā)速度最快。由濕源表面水分的蒸發(fā)作用引起熱量和水分濃度的變化，對(duì)室內(nèi)熱濕耦合傳遞模型的計(jì)算帶來(lái)了很大的影響，同時(shí)影響到室內(nèi)的熱濕分布。

結(jié)合通風(fēng)模式和水面蒸發(fā)作用的熱濕耦合傳遞的模型提高了研究的應(yīng)用性和準(zhǔn)確性。劉京等人[30，31]通過(guò)建立計(jì)算結(jié)露量動(dòng)態(tài)形成過(guò)程的CFD數(shù)學(xué)物理模型，演示了壁面水分結(jié)露非穩(wěn)態(tài)的全過(guò)程。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)通風(fēng)量以及通風(fēng)方式的改變都會(huì)對(duì)室內(nèi)水分冷凝的程度產(chǎn)生很大的影響。通風(fēng)量增加或通風(fēng)方向與濕煙羽方向相反時(shí)，室內(nèi)結(jié)露面積減小，結(jié)露程度降低。通風(fēng)口的合理布置對(duì)減小冷凝的風(fēng)險(xiǎn)，意義重大。劉京等人以非封閉腔體為研究對(duì)象，考慮熱濕耦合傳遞作用，分析了通風(fēng)模式對(duì)水分蒸發(fā)-冷凝作用的影響。雖然主體思想易懂，但要編輯模擬計(jì)算程序，這需要非常深的編程功底。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的CFD不能或者很難模擬壁動(dòng)態(tài)結(jié)露現(xiàn)象，必須修改計(jì)算程序和邊界條件，這是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的課題。

目前許多研究者都是通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果被動(dòng)地去探尋壁面發(fā)生冷凝的過(guò)程，很少能從理論上推導(dǎo)出壁面冷凝結(jié)露發(fā)生的時(shí)刻和程度。馬曉鈞[32，33]通過(guò)提出可及度概念，采用集總參數(shù)方法，以標(biāo)準(zhǔn)辦公室為例，從正面推導(dǎo)出壁面發(fā)生結(jié)露的初始時(shí)刻。當(dāng)房間流場(chǎng)固定時(shí)，通過(guò)分析各個(gè)因素的作用強(qiáng)度，將各個(gè)邊界及初始條件等因素對(duì)室內(nèi)某一時(shí)刻含濕量的影響程度定義為該時(shí)刻的可及度，并提出了室內(nèi)含濕量瞬時(shí)分布規(guī)律的代數(shù)表達(dá)式：

式中：D是含濕量，g/kg；a是可及度（無(wú)量綱）；N，n是總數(shù)量，計(jì)數(shù)（無(wú)量綱）；J是質(zhì)量通量，kg/s；Q是房間通風(fēng)量，m3/s；τ是時(shí)刻，s；Y是響應(yīng)系數(shù)（無(wú)量綱），并以暖通空調(diào)領(lǐng)域中最為常見(jiàn)的防結(jié)露問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水蒸氣由于壁面凝結(jié)放出的熱量以及水分濃度場(chǎng)的變化對(duì)流場(chǎng)影響很小，可忽略不計(jì)。

壁面凝結(jié)不會(huì)引起壁面溫度的變化，同時(shí)固體表面水蒸氣分壓力和露點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的飽和含濕量保持不變。根據(jù)對(duì)結(jié)露發(fā)生機(jī)理的透徹理解，馬曉鈞改進(jìn)模型邊界條件和設(shè)置可及度，可以準(zhǔn)確地尋找到開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)露的位置和時(shí)刻，這對(duì)研究壁面結(jié)露問(wèn)題具有深遠(yuǎn)的意義。

從蒸發(fā)-冷凝理論模型推導(dǎo)到實(shí)際模型的數(shù)值模擬，從單一考慮傳導(dǎo)和對(duì)流作用，到考慮輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流等多種傳遞方式作用，從單一自然對(duì)流到多種通風(fēng)模式模擬，從被動(dòng)尋找結(jié)露點(diǎn)到主動(dòng)發(fā)現(xiàn)結(jié)露發(fā)生時(shí)刻，從模擬穩(wěn)態(tài)結(jié)露量到非穩(wěn)態(tài)結(jié)露積累量，室內(nèi)熱濕耦合模型的研究得到不斷完善。探索室內(nèi)濕空氣遷移機(jī)理，對(duì)解釋空間冷凝的發(fā)生原因和確定開(kāi)始發(fā)生冷凝的時(shí)間，有著十分重大的意義。

5　結(jié)論與展望

1）室內(nèi)空氣溫度梯度直接影響和作用空氣的濕傳遞性能；當(dāng)溫度梯度和水分濃度梯度的方向相同時(shí)，流體流動(dòng)強(qiáng)度增加，空氣濕傳遞性能增強(qiáng)；反之，流體流動(dòng)強(qiáng)度減弱，傳濕性能得到抑制。當(dāng)室內(nèi)熱瑞利數(shù)Ra較低時(shí)，對(duì)流作用較弱。

2）水分蒸發(fā)與結(jié)露的潛熱和顯熱對(duì)壁面的熱傳遞有很大的影響；水分相變攜帶的熱量遠(yuǎn)高于空氣對(duì)流和傳導(dǎo)的作用，其會(huì)影響到室內(nèi)空氣溫度分布，從而影響到水分遷移的驅(qū)動(dòng)力。

3）室內(nèi)通風(fēng)量和通風(fēng)方式都會(huì)直接影響到室內(nèi)壁面濕空氣冷凝的強(qiáng)度。通風(fēng)量增加或者通風(fēng)方向與濕煙羽方向相反時(shí)，室內(nèi)的結(jié)露面積減小，結(jié)露程度減弱。通風(fēng)口合理布置對(duì)降低壁面冷凝風(fēng)險(xiǎn)，意義重大。

4）目前已有的關(guān)于室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究，大多沒(méi)有考慮濕空氣蒸發(fā)或結(jié)露過(guò)程，這也限制了目前既有的室內(nèi)熱濕耦合傳遞模型的適用范圍。通過(guò)探討建立蒸發(fā)-冷凝耦合模型，擴(kuò)大室內(nèi)熱濕耦合傳遞模型的適用范圍，將有助于深入理解南方熱濕地區(qū)濕空氣調(diào)節(jié)機(jī)制。另外，探討自然通風(fēng)狀態(tài)下室內(nèi)熱濕耦合機(jī)理、探討如何利用自然通風(fēng)滿足人們熱舒適需求等都是現(xiàn)在急需研究的重要課題。

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Literature Review on the Moist Air Transports Inside Indoor

CHEN Wen-chang1,LI Chao-jun1,CAI Ling-ling1,ZHAO Fu-yun1,2,WANG Han-qing1,KOU Guang-xiao1
1 School of Civil Engineering,Hunan University of Technology
2 School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University

Indoor air,thermal and moisture transport under the situation of building ventilated flows have not been well understood in the long time,which has resulted in the increase of the building energy consumptions and the deterioration of the indoor air quality.Indoor air moist air transport was due to the combined temperature and moisture differences of indoor and surrounding environment,accompanying with more complicated moisture evaporation and condensation. This manuscript has conducted a detailed literature review regarding the mathematical models of indoor air moisture transport,evaporation and condensation.Finally,several important research highlights and development have been presented for the future research.Thermal and moisture transport inside the natural ventilated enclosures should be investigated in the future,aiming to enhance the utilization of building natural ventilation and reduce the building energy consumptions in the southern regions of high temperature and high moisture.

moisture transport,evaporation and condensation，building energy conservation,natural ventilation

1003-0344（2015）06-037-6

2014-05-03

陳文昌（1989～），男，碩士研究生；湖南省株洲市天元區(qū)湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（412007）；E-mail:CHENWENCHANG1234@163.com

湖南省杰出青年基金（No.14JJ1002）；國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51208192）；國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51304233）；中組部青年千人計(jì)劃專項(xiàng)；科技部十二五科技支撐計(jì)劃子課題（2011BAJ03B07）