WUFI Pro熱濕模擬軟件的應用及評價?

翟志文 王曉歡 費本華

建筑圍護結構熱濕性能是建筑物理研究的重要內容。水分對于古建筑以及新建建筑構成的影響不容忽視[1]：不適宜的水分狀態(tài)，可能導致建筑部件乃至結構的破壞[2-3]；熱濕性能影響著整體建筑的能耗水平[4-5]。此外，熱濕也與健康密切相關，一定溫度條件下，較高的相對濕度會增加霉菌生長的可能性，可能會導致居住者出現過敏癥狀，某些菌類甚至含有毒素，更會對健康產生嚴重影響[6-7]。

為了減少由于熱濕帶來的負面影響，需要一種可靠、方便的計算分析工具，在設計階段重點考慮避免問題產生，或對已有建筑進行分析維護以降低危害。在過去的幾十年里，多種模擬軟件被開發(fā)出來，如DELPHIN、 MOIST 、hygIRC及WUFI等[8-12]。WUFI(瞬態(tài)熱濕傳送)作為建筑領域有關熱濕模擬的專業(yè)軟件，在國外廣泛用于科研及實踐，但國內因技術原因研究人員目前對該軟件研究較少，尚未進行實際應用。

1 簡介

WUFI（瞬態(tài)熱濕傳送模型）是由德國弗朗恩霍夫建筑物理研究所（FIBP）開發(fā)的，在一定的蒸汽壓力或含水率梯度下，基于Fick（菲克定律）建立水蒸氣傳遞模型，基于Darcy（達西定律）建立液態(tài)水傳送模型，已被證實可以用于廣泛的建筑材料，包括工程木質材料如膠合板、刨花板等[13-16]。WUFI家族可以分為兩大類，四種產品。WUFI Pro應用于建筑單一或多層復合結構如墻體、屋頂等的一維熱濕模擬；WUFI2D在WUFI Pro的基礎上進行了另一維的擴展，適用于評估具有更為復雜幾何形狀的結構，如建筑拐角，窗戶連接，基礎界面等；WUFI Plus是WUFI家族最為復雜的成員，側重于獲得健康舒適居住環(huán)境的室內條件及能耗分析,其計算輸出結果可以用于評估所分析建筑是否達到被動式要求；WUFI Passive則是針對被動式建筑進行相關計算機分析。總的來看，前兩者用于建筑部件熱濕分析，后兩者用于整棟建筑熱濕及能耗分析[17]。

2 建模

在進行熱濕模擬計算之前，需要根據研究目的，確定結構形式，設置計算方法，確立邊界條件。

2.1 墻體構建

首先需要確定研究的墻體結構，由幾層構成，每層使用的材料及其尺寸。之后將墻體在軟件圖形界面（圖1）中以增減層的方式構建，并以一維形式顯示出來。需要注意的是，為了正確地進行模擬計算，必須輸入組成墻體的各層材料的相關材性數據，如容積密度、孔隙率、比熱、導熱系數、水蒸汽擴散阻力系數、水分儲存函數（等溫吸放曲線）、液態(tài)水傳送系數(吸收和分布)等。軟件自帶的數據庫包含了多種建筑材料的材性數據。使用數據庫中的材料，則材性數據可直接使用。部分建筑材料的材性數據可以從有關研究機構公開發(fā)表的文獻中查得。對于新型建筑材料，或缺少有關材性數據的，則需要通過試驗測試獲得。為保證模擬結果的準確性，相關檢測需要依據指定的標準進行。根據研究的側重點，有關材性數據的檢測也可酌情簡化或忽略[1]。如關注的重點為水分傳遞和分布，則比熱可直接使用軟件推薦值，導熱系數可直接使用絕干狀態(tài)值。

墻體各層設計完成后，軟件將自動生成網格圖，網格的分布是熱濕傳遞公式的計算基礎。網格圖由上下兩部分構成，上面的對應墻體整個厚度方向的各層，下方的網格圖則是選定層的局部放大。系統(tǒng)默認的網格劃分有錯略、中等及精細三個級別，應用于不同的情形。受墻體構造形式、建筑材料、邊界條件的影響，有時墻體沿厚度方向會存在較大的溫濕梯度、溫濕分布曲線曲率明顯，此時的網格劃分需足夠的精細以反映真實的狀態(tài)。若默認的精細網格仍不能滿足要求，則可手動進行網格劃分。網格圖也是監(jiān)測器布置的依據，在每層對應的網格放大圖中，根據需要布點，監(jiān)測點的有關熱濕指標將在最終的模擬結果中顯示出來。此外，為更貼切的模擬實際使用情況，軟件也提供了有關水、熱、空氣交換源，通過網格在適當位置安放。

圖1 墻體構建Fig.1 Wall constructing

2.2 計算設置

在軟件中完成墻體設計后，還需要進行一些設置，為后續(xù)計算做準備。建筑物在實際使用中會受太陽輻射及降雨的影響，需要對墻體的方位、傾角以及高度進行設置（圖2）。針對墻體朝向，系統(tǒng)默認給出了8個方位。傾角是墻體相對于水平面的角度，在0～90°之間（0°對應平屋頂）。這兩者的設置均影響到入射到墻體的輻射和雨水量。進一步的，為了更為準確的反應墻體的實際受雨量，軟件引入了兩個系數，通過公式估算任意方位及角度墻體的受雨量。

表面?zhèn)魉拖禂捣磻氖菈w與周邊環(huán)境的熱濕交換程度。對于墻體外表面，需要根據實際情況來確定熱阻值，有無短波和長波輻射等。墻體內表面的設置則相對簡單，根據使用材料選擇默認的熱阻值。

圖2 計算設置Fig.2 Calculation setting

墻體的初始溫濕條件也是計算不可缺少的部分。濕度的設置有三種方法：固定值，給出相對濕度值，通過濕度儲存函數自動計算出各層的含水率；單層輸入法，在表格中輸入各層的初始含水率；導入法，從ASCII文件中自動導入，該文件必須由兩列構成，第一列顯示位置，第二列對應含水率。溫度的設置有兩種方法，輸入某一溫度值及從文件讀取。

在完成上述設置后，需要進一步設定模擬計算的起始時間及步長。WUFI將基于時間步長計算出相應時間段內各監(jiān)測點相應量的變化過程。起始及結束時刻點的各指標沿厚度方向的分布狀態(tài)也將自動輸出，可根據需要酌情增加觀察時刻點。時間步長為軟件執(zhí)行相鄰兩次計算的間隔時間，步長不能大于氣象數據的記錄時間間隔。最后，按照具體研究任務，確定計算模型，熱計算、濕計算或熱濕同步計算。通過選擇特定項，還可單獨研究傳熱系數、毛細管傳導等。

2.3 邊界條件

墻體構件將處在一定的室內外環(huán)境中。降雨、輻射、外界溫濕等將直接作用于墻體外表面，一定的室內溫濕條件也同樣作用在墻體內表面上。綜合起來，這些邊界條件將極大地影響墻體的熱濕行為[18]。在模擬計算中，勢必也需要將這些因素考慮在內。反應到模型中，需要給與模型左右兩側一定的邊界條件。

在一維模型中，左側代表墻體外表面，右側代表內表面，左右兩側的邊界條件可以從氣象文件中讀取，一般以小時為讀取步長。右側的邊界條件有時可以按照有關標準（EN 13788、EN15026、ASHRAE160）基于左側邊界條件計算得出。需要注意的一點是，包含降雨及輻射的氣象條件只能應用左側，即墻體外表面。當為左側選定一定的氣象條件后，會自動以曲線圖顯示出來，還可以對輸入的氣象數據進行自動分析，使研究人員對于氣候條件有直觀的認識，如溫度、相對濕度的極值及平均值，年降雨、輻射總量及方位部分等。對于有些情況，無需考察邊界的短期波動，只需要反應長期的一個趨勢，則只需建立溫度、相對濕度正弦函數作為輸入條件，有時甚至可以使用固定值。

WUFI計算墻體瞬態(tài)熱濕分布，對應每一個計算時間點，氣候條件需要包含入射墻體外表面的雨速[Ltr/(m2h)]，太陽輻射（W/m2），環(huán)境空氣溫度（℃）及相對濕度（%），室內空氣溫度（℃）及相對濕度（%），氣壓(hPa)，長波大氣逆輻射（W/m2）等。這些氣候條件可以來源于真實監(jiān)測的氣象數據，也可以人為設定（如進行實驗室研究）。WUFI主要應用于研究建筑構件暴露在自然環(huán)境的熱濕行為，所以更多時候采用的是實測氣象數據[19]。需要注意的是，關于降雨和輻射，一般氣象數據提供的是相對水平面的指標，而WUFI計算則需要垂直于墻體外表面的相應量，需要根據風速、方位等進行換算。當研究人員可以提供出*.WAC、*.WET、*.TRY、*.DAT及*.IWC等格式的氣象文件時，轉換將作相應的處理。IBP及有關研究機構提供了眾多區(qū)域的典型氣候條件，可以直接使用。

3 計算和輸出

3.1 計算

模型構建完成后，啟動計算。軟件提供了兩者計算模式，一種是快捷計算，按照設計的時間步長讀取邊界條件，直至顯示最終結果；另外一種是伴有影像顯示的計算，WUFI所執(zhí)行的每一次計算，結果都將以圖形呈現出來，研究時間段的整個計算過程以動畫記錄下來。

3.2 輸出

具體來看，軟件的輸出結果可以歸結為以下三類：

1）在準備階段，需要指定墻體結構內部需要觀測的點，對于多層結構墻體，層與層交接處一般會設檢測點，通過計算，可以獲得待觀察位置相關量或指定層平均量隨時間的演變過程，如圍護結構內外表面的熱通量密度，觀察點的溫度和相對濕度，以及指定層或整體結構含水率的變化等。

2）通過讀取特定時刻監(jiān)測點的溫度、濕度、含水率，可以反應相應量在建筑結構厚度方向的分布狀態(tài)。軟件將自動記錄起始及結束時刻的分布狀態(tài)，根據需要，可以插入任意時間點。

3）相鄰兩次計算的時間間隔為時間步長，可根據研究目的進行設置。針對某種構造結構模擬計算完成后，軟件可輸出記錄影像，包含所有以步長進級時間點的相關量的分布狀態(tài)。通過以上輸出結果，研究人員可以進一步展開相關分析。

4 優(yōu)勢及局限性

4.1 優(yōu)勢

WUFI Pro的優(yōu)勢在于最大限度地接近真實環(huán)境條件進行計算分析，大量研究表明，當材性數據及邊界條件等輸入正確，計算設置合理時，軟件模擬的結果是準確可靠的[20]。為新型材料、圍護結構的熱濕性能研究提供了經濟、高效、準確的研究手段。為已呈現熱濕問題的現存建筑提供了非破壞性的輔助分析工具。隨著我國木結構的進一步發(fā)展，人們對于木結構的品質要求也逐步提高，熱濕模擬作為圍護結構性能的有效評價工具，對于我國發(fā)展新型木結構、以及基于不斷深化竹質工程材料開發(fā)的竹結構會有積極的推動作用[21-22]。

4.2 局限性

模擬計算所需要的材性數據及邊界條件有時是不容易獲得的，尤其對于新型材料及氣候區(qū)域，為獲得可靠的結果，需要大量的基礎性研究工作，這也一定程度影響了軟件的使用。

5 結語

WUFI在材性數據輸入準確、邊界條件及計算設置合理的前提下，可以準確反映建筑處于實際環(huán)境中的熱濕表現，用于居住舒適性、建筑能耗及建筑材料熱濕反應特性等的分析，是高效、可靠的熱濕評價工具，對于新材料的應用及新型構造的研發(fā)具有重要意義。

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