通風(fēng)方式對(duì)壁面結(jié)露分布的影響研究

王 威，呂 芳，姜建中，王 戎

(軍事科學(xué)院 國防工程研究院， 北京 100850)

目前，在工程領(lǐng)域常采用兩種手段來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)：普通房間采用墻體貼附保溫材料措施提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的露點(diǎn)溫度；通風(fēng)空調(diào)房間則通過控制室內(nèi)溫度值和空氣含濕量的方法降低濕空氣在壁面凝結(jié)的可能性。相比兩種方法，采用機(jī)械通風(fēng)不僅能降低建筑的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，而且還可以調(diào)控室內(nèi)的溫濕度環(huán)境，所以通風(fēng)在工程中的應(yīng)用更廣泛。由于建筑物室內(nèi)的濕度分布與濕源的產(chǎn)濕特點(diǎn)相關(guān)，并且時(shí)刻隨建筑通風(fēng)工況的改變而發(fā)生變化，因此通過研究通風(fēng)對(duì)室內(nèi)壁面結(jié)露分布規(guī)律的影響對(duì)于建筑防潮、防結(jié)露的理論研究以及通風(fēng)工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 模型建立

1.1 物理模型

模型空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)為中空雙層鋼化玻璃幕墻，可忽略壁面的吸濕能力，方便研究過程中觀測(cè)壁面結(jié)露的情況，地板和頂棚均設(shè)有保溫材料，頂棚開設(shè)風(fēng)口，與進(jìn)風(fēng)口相接的風(fēng)管上裝有變頻軸流風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來模擬不同的通風(fēng)量。模型置于恒溫為20 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可通過模型地板中央的加熱式加濕器來調(diào)節(jié)和模擬加濕工況。

物理模型概要見圖1，模型邊界條件設(shè)置見表1，模擬工況參數(shù)設(shè)置見表2。

圖1 各通風(fēng)工況的物理模型

邊界名稱參數(shù)設(shè)定送風(fēng)口送風(fēng)量205.2 m3/h,溫度25 ℃,相對(duì)濕度72 %,濕度0.014 kg/kg′排風(fēng)口采用自由出流(Outflow)壁面絕濕,傳熱系數(shù)1.86 W/(m2·K),室外環(huán)境溫度17 ℃初始環(huán)境室溫25.5 ℃,相對(duì)濕度64%,濕度0.012 8 kg/kg′濕源入口產(chǎn)濕量0.6 g/s,蒸汽溫度90 ℃頂棚、地板絕熱、絕濕

表2 模擬工況參數(shù)

1.2 模型假設(shè)

建立數(shù)學(xué)模型前，需對(duì)模型作5點(diǎn)簡化假設(shè)[6]：

① 忽略重力場(chǎng)對(duì)空氣和水蒸氣的影響；

② 空氣和水蒸氣均視為不可壓縮流體，密度為恒定值；

③ 水蒸氣從水面蒸發(fā)時(shí)只進(jìn)行潛熱交換，不考慮顯熱交換；

④ 水蒸氣在壁面凝結(jié)時(shí)忽略相變過程的放熱量；

現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)市場(chǎng)5個(gè)主要的開發(fā)集成軟件和平臺(tái)分別為 Virtools，Quest3D，VR-Platform，Unreal Engine 4和Unity3D。其中Unity3D是目前開發(fā)者最為常用的一款全面整合的專業(yè)引擎，其已在三維游戲、建筑可視化和商品宣傳等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Unity3D較好的跨平臺(tái)性及簡單易用的特性使其在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用Unity3D 5.3.2版本，用C#編寫腳本實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)等功能。計(jì)算機(jī)采用Win8操作系統(tǒng)，頭戴顯示器采用暴風(fēng)墨鏡4黃金頂配版和Android 4.4.2版Smartian T1測(cè)試真機(jī)。

⑤ 壁面結(jié)露過程中不考慮壁面的吸濕能力。

1.3 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT 14.0湍流模塊(Standardk-ε)分析流場(chǎng)特性，組分輸運(yùn)模塊(Species Transport)和多相流模塊(Multiphase)模擬水蒸氣在空氣中的傳質(zhì)相變過程?？刂品匠倘缦耓7]：

(1)

式中：φ是通用變量；Γ是廣義擴(kuò)散系數(shù)；s是廣義源項(xiàng)。

1.4 壁面結(jié)露的判據(jù)

壁面結(jié)露的條件：當(dāng)壁面周圍的空氣節(jié)點(diǎn)絕對(duì)濕度Dair大于壁面溫度對(duì)應(yīng)的飽和絕對(duì)濕度Dwall時(shí)，即認(rèn)為壁面開始結(jié)露。

壁面不結(jié)露的條件：任意τ時(shí)刻，當(dāng)壁面周圍的空氣節(jié)點(diǎn)絕對(duì)濕度Dair均小于壁面溫度對(duì)應(yīng)的飽和絕對(duì)濕度Dwall時(shí)，認(rèn)為壁面不結(jié)露[8]，即：

max{Dwall(τ)}

(2)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 通風(fēng)方式對(duì)濕度分布影響的模擬結(jié)果與分析

圖2～4為相同通風(fēng)量、不同通風(fēng)方式下中心截面的相對(duì)濕度分布，圖中相對(duì)濕度RH≥100%的范圍表征水霧的形成區(qū)域。由圖2～4可知：不同的通風(fēng)方式下，中心截面的相對(duì)濕度分布差異很大；相比較其他工況而言，工況1整個(gè)空間內(nèi)的相對(duì)濕度值普遍較低；工況2空間內(nèi)高濕度區(qū)域分布在空間偏下方位置；工況3空間內(nèi)高濕度區(qū)域集中在空間上方位置。對(duì)濕源出口附近形成的水霧進(jìn)行分析，結(jié)果表明：工況1形成的水霧集中在濕源出口上方0.5～0.9 m的范圍；工況2形成的水霧集中在濕源出口右上方0.5～1.6 m的范圍，水霧體積最大；工況3形成的水霧體積最小，在濕源出口上方0.5～0.7 m的范圍。

圖2 工況1截面濕度分布

圖3 工況2截面濕度分布

圖4 工況3截面濕度分布

2.2 通風(fēng)方式對(duì)結(jié)露速率影響的模擬結(jié)果與分析

為研究通風(fēng)方式對(duì)空間及壁面結(jié)露的影響，分別以濕源出口位置距離頂棚之間的線段(記作P1線)、墻壁X=0和墻壁Y=3.18 m的相交線(記作P2線)為研究對(duì)象，分析不同通風(fēng)方式下空間和壁面的結(jié)露速率沿高度方向的變化規(guī)律。P1線、P2線位置見圖1(a)。

由圖5可知：在相同通風(fēng)量情況下，工況3的通風(fēng)方式對(duì)于濕源出口上方空間的結(jié)露抑制效果最好，除了在高度0.4～0.6 m范圍內(nèi)有少許結(jié)露產(chǎn)生之外，其余位置的結(jié)露速率均為0，不發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象；工況2的通風(fēng)方式最不利于控制濕源出口上方空間的結(jié)露發(fā)生，從結(jié)露速率分布曲線可知，在高度0.7～2.1 m范圍內(nèi)，工況2的結(jié)露速率最高，意味著濕源上方空間內(nèi)形成水霧的時(shí)間短、速度快、凝結(jié)水量大。因此，通過合理地改變通風(fēng)方式可以有效降低空間內(nèi)的結(jié)露速率，緩解空間內(nèi)的結(jié)露現(xiàn)象，減少濕源出口上方產(chǎn)生的水霧，進(jìn)而起到防止水霧附著在壁面和頂棚后匯聚成水滴發(fā)生“水珠滴落”現(xiàn)象。

圖5 不同工況下結(jié)露速率沿P1線變化情況

圖6為兩墻體相交線上的結(jié)露速率分布曲線，從圖中可知：通風(fēng)方式為工況1時(shí)，壁面結(jié)露速率隨壁面高度的增加而增大，這意味著壁面上方位置結(jié)露形成時(shí)間早、速度快、結(jié)露量大；壁面下方結(jié)露形成時(shí)間晚、速度慢、結(jié)露量少。工況2和工況3結(jié)露速率曲線相似，壁面的結(jié)露速率隨高度的增加而減小，這時(shí)越接近墻腳位置結(jié)露形成的速度越快，結(jié)露量越多。對(duì)比3種工況可知，相同的通風(fēng)量時(shí)，工況3的通風(fēng)方式下空間及壁面的結(jié)露速率最低，因此，從降低壁面結(jié)露速率的角度出發(fā)，工況3的通風(fēng)方式是最優(yōu)的。

圖6 不同工況下結(jié)露速率沿P2線變化情況

2.3 通風(fēng)方式對(duì)壁面結(jié)露分布影響的模擬結(jié)果與分析

圖7～9為不同工況下各典型時(shí)刻的壁面結(jié)露分布變化模擬圖，圖中左側(cè)條形顏色帶的數(shù)值表征壁面的結(jié)露量，單位為kg。由圖7～9可知：工況1時(shí)，壁面開始結(jié)露的時(shí)刻是480 s，結(jié)露的初始發(fā)生位置為靠近排風(fēng)口一側(cè)的頂棚墻角處，壁面從發(fā)生結(jié)露開始到結(jié)露面積穩(wěn)定所隨持續(xù)時(shí)間為1 800 s，壁面的最大結(jié)露量是0.33 g；工況2時(shí)，結(jié)露的初始時(shí)刻是600 s，結(jié)露的初始發(fā)生位置為靠近送風(fēng)口一側(cè)的頂棚墻角和兩側(cè)壁面的中間區(qū)域，壁面從發(fā)生結(jié)露開始到結(jié)露面積穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間為1 800 s，壁面的最大結(jié)露量是1.14 g；工況3時(shí)，結(jié)露的初始時(shí)刻是900 s，結(jié)露的初始發(fā)生位置為靠近送風(fēng)口一側(cè)的地板墻角處，壁面從發(fā)生結(jié)露開始到結(jié)露面積穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間為2 400 s，壁面的最大結(jié)露量是0.299 g。

從壁面結(jié)露的分布位置分析，在頂棚送頂棚排的通風(fēng)方式下，結(jié)露開始的位置在靠近排風(fēng)口一側(cè)的頂棚墻角處，之后在頂棚與四周墻壁的交接部位以及墻角處相繼出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，隨著熱蒸汽的不斷產(chǎn)生，結(jié)露面積開始從頂棚向墻壁下方逐漸延伸，直至結(jié)露面積趨于穩(wěn)定。側(cè)上送側(cè)下排的通風(fēng)方式下，結(jié)露開始的位置在靠近送風(fēng)口的頂棚墻角兩側(cè)和左右壁面的中間區(qū)域，之后在地板的四周墻角以及送風(fēng)口一側(cè)壁面相繼出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，隨后結(jié)露面積開始延伸，直至趨于穩(wěn)定。側(cè)下送側(cè)上排的通風(fēng)方式下，結(jié)露開始的位置在靠近送風(fēng)口的底部墻角兩側(cè)，之后在送風(fēng)口左右兩側(cè)壁面和排風(fēng)口一側(cè)的頂棚墻角處出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，隨后結(jié)露面積開始擴(kuò)大，直至趨于穩(wěn)定。

對(duì)比各通風(fēng)方式下的結(jié)露情形可知：當(dāng)通風(fēng)量相同、但通風(fēng)方式不同時(shí)，各壁面的結(jié)露情況差異很大。從圖中可得知：工況3的結(jié)露面積最小，工況1其次，工況2結(jié)露面積最大。因此，從降低壁面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，工況3的通風(fēng)方式最優(yōu)。

圖7 工況1時(shí)各時(shí)刻壁面結(jié)露分布變化

圖8 工況2時(shí)各時(shí)刻壁面結(jié)露分布變化

圖9 工況2時(shí)各時(shí)刻壁面結(jié)露分布變化

3 結(jié)論

本文建立數(shù)學(xué)模型，并利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)濕度和壁面結(jié)露分布的影響，通過數(shù)值模擬計(jì)算得出以下結(jié)論：

1) 建立的數(shù)學(xué)模型能比較真實(shí)地模擬通風(fēng)方式對(duì)壁面結(jié)露分布的影響，因此對(duì)于建筑防潮與防結(jié)露中通風(fēng)方式的選擇可提供參考作用。

2) 通風(fēng)方式主要影響壁面的結(jié)露分布規(guī)律和結(jié)露順序，因此通過合理地布置風(fēng)口位置可有效地控制壁面結(jié)露面積，減小壁面結(jié)露量，降低壁面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

3) 對(duì)于受濕源影響的建筑而言，采用側(cè)下送側(cè)上排的通風(fēng)方式要優(yōu)于頂棚送頂棚排和側(cè)上送側(cè)下排的通風(fēng)方式。

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