極端熱濕地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞模型

羅戴維 劉加平 劉大龍

摘 要：極端熱濕地區(qū)常年高溫多雨，為了準確預測圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度和濕度分布，模擬高溫、高濕和高太陽輻射對圍護結(jié)構(gòu)的影響，建立了適用于極端熱濕地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞模型，在邊界條件中加入太陽輻射和雨水負荷對傳熱傳濕的影響，考慮了隨材料含濕量不斷變化的材料物性參數(shù)。為了求解模型，提出了基于計算機軟件COMSOL的模型求解方法，利用MATLAB計算方程組不斷變化的系數(shù)，并確定了軟件容差和網(wǎng)格的設(shè)置條件：相對容差推薦設(shè)定在0.001，絕對容差設(shè)定為0.000 1，網(wǎng)格按極細化劃分。通過對比HAMSTAD標準實例驗證了模型的準確性。

關(guān)鍵詞：極端熱濕地區(qū)；熱濕耦合傳遞；太陽輻射；雨水負荷

中圖分類號：TU111.4

文獻標志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0036-06

Abstract：Extreme heat-moisture climate area are always high temperature and rainy. In order to accurately predict the temperature and humidity distribution in the envelope， and simulate the effects of high temperature， high humidity and high solar radiation on the envelope， a coupled heat and moisture transfer model which takes the climate condition of extreme heat-moisture climate area into consideration is developed. The influence of solar radiation and rain load on heat and moisture transfer is considered in boundary conditions. And the changes of moisture content are taken into account in the material parameters. And a solution method based on computer soft，COMSOL and MATLAB，is proposed to solve the coupled heat and moisture transfer model simply. The COMSOL recommended setting is as follow： the relative tolerance is 0.001； the absolute tolerance is 0.0001； the mesh must be set to very fine. The numerical results of this model agree well with HAMSTAD benchmarks.

Keywords：extreme heat-moisture climate area； coupled heat and moisture transfer； solar radiation； rain load

極端熱濕地區(qū)常年處在高溫高濕狀態(tài)，這種氣候條件會給圍護結(jié)構(gòu)隔熱隔濕帶來極大負擔。以南海西沙群島為例，其日照豐富，太陽輻射強烈，年平均氣溫26～27 ℃，6月份平均氣溫為28.9 ℃，一月份平均氣溫為22.9 ℃，總降雨量約為1 500 mm。南海全年氣溫高、溫差小，雨量豐沛、時空分布不均，強風、臺風、暴雨、大霧等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，是北半球天氣氣候變化最敏感的地區(qū)之一，屬于典型的極端熱濕氣候區(qū)[1]。這樣的氣候條件將造成其傳熱、傳濕的特性發(fā)生改變，導致建筑空調(diào)耗電問題異常突出。因此，傳熱和傳濕過程必須被同時考慮，這樣才能更準確地預測圍護結(jié)構(gòu)的熱濕遷移以及室內(nèi)舒適度。

用來描述圍護結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞的數(shù)學模型多種多樣，Hou等[2]、Kong等[3]使用了水蒸汽壓力為濕驅(qū)動勢的熱濕耦合傳遞模型，F(xiàn)ang等[4]、Tomá等[5]、Min等[6]REF_Ref489776463＼r＼h＼*MERGEFORMAT、kerget等[7]使用相對濕度為濕驅(qū)動勢的熱濕耦合傳遞模型，但這些模型的基礎(chǔ)理論都相通，具體使用哪種模型需要根據(jù)實際需求來定。此外，劉向偉等[8]、張景欣等[9]、王瑩瑩[10]針對熱濕耦合模型進行了多方面的研究，研究對象包括空調(diào)房間、計算方法、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。然而，傳統(tǒng)的熱濕耦合模型針對極端熱濕地區(qū)的應(yīng)用較為稀少，尤其針對南海地區(qū)的研究更是近乎為零。筆者以溫度和毛細壓力為驅(qū)動勢來預測圍護結(jié)構(gòu)的熱量和水分傳遞，并根據(jù)極端熱濕地區(qū)的高溫高輻射多雨的氣候條件對模型進行了優(yōu)化。該模型充分考慮了極端熱濕地區(qū)計算參數(shù)變物性的需求，使其能更加準確地描述極端熱濕地區(qū)的特點。

1 熱濕耦合模型

濕在圍護結(jié)構(gòu)中傳遞的過程呈現(xiàn)出兩種不同相態(tài)：液相和氣相，在傳統(tǒng)計算中，液態(tài)水的傳遞一般被忽略。然而，由于極端熱濕地區(qū)的氣候特征，室外相對濕度常年在80%以上，液態(tài)水的傳輸在模型計算中不可忽略或簡化。此外，蒸汽傳輸可以分為兩部分：擴散和對流。蒸汽擴散由蒸汽壓梯度驅(qū)動，其系數(shù)為蒸汽滲透系數(shù)，單位為kg/（m·Pa·s）；蒸汽對流由空氣流動引起，由于極端熱濕地區(qū)室外常年處于高溫狀態(tài)，室內(nèi)很容易保持負壓狀態(tài)，空氣壓差的方向是由室內(nèi)向室外，這將減輕熱負荷。蒸汽對流過程計算較為復雜，因此，在熱工設(shè)計計算上可以忽略[11]，這樣一來，計算結(jié)果將偏安全。液態(tài)水的傳輸則經(jīng)常用毛細壓力作為驅(qū)動勢來計算，其系數(shù)為液態(tài)水傳導系數(shù)，單位為kg/（m·Pa·s）。

1.1 傳濕模型

極端熱濕地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)傳濕過程是一個包含水蒸氣和液態(tài)水的傳質(zhì)過程，通過建筑圍護結(jié)構(gòu)中的蒸汽和液體遷移可以表達為[12]

2 極端熱濕地區(qū)模型的特殊性

2.1 邊界條件

任何數(shù)學模型的仿真模型都離不開邊界條件的正確設(shè)定。極端熱濕地區(qū)常年高溫多雨，相比其他地區(qū)，太陽輻射和雨水在邊界條件中的計算不可缺少。

2.2 太陽輻射與雨水的計算

圍護結(jié)構(gòu)外表面的對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)均與外界的氣候因素（風速、天空溫度、環(huán)境溫度）以及外表面的溫度有關(guān)，他們的值可以分別列式計算。但為了計算工作的簡便，在熱工設(shè)計計算中一般采用總換熱系數(shù)hα來表示，用于統(tǒng)一計算對流和輻射總換熱量。

中國熱工規(guī)范[16]規(guī)定，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的總換熱系數(shù)在冬季是8.72 W/（m2·K），夏季為8.75 W/（m2·K），外表面的總換熱系數(shù)冬季為23.3 W/（m2·K），夏季為18.6 W/（m2·K）。該數(shù)值是按建筑物周圍風速為3 m/s時實測所得。

根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)外表面的熱平衡方程式，可以得出由圍護結(jié)構(gòu)外表面向室內(nèi)側(cè)的傳熱量q0。

2.3 材料的物性參數(shù)

極端熱濕地區(qū)建筑圍護材料常年接觸潮濕的空氣，因此，其材料的物性參數(shù)將與平常狀態(tài)下大不相同。圍護結(jié)構(gòu)材料的導熱系數(shù)、蒸汽滲透系數(shù)和液態(tài)水滲透系數(shù)是隨材料含濕量變化的參數(shù)，在計算中需要注意。

3 模型的數(shù)值計算與驗證

采用COMSOL Multiphysics來求解模型。COMSOL Multiphysics會用有限元法自動對控制方程及相應(yīng)的邊界條件進行離散，并用數(shù)值求解器對離散后的代數(shù)方程組求解，可以大大簡化求解的過程，方便研究人員將注意力集中到物理模型的研究。此外，由于熱濕耦合傳遞是一個瞬態(tài)過程，模型的相關(guān)參數(shù)隨著時間不斷變化，為了反映這一點，用MATLAB編寫了系數(shù)計算程序。

3.1 HAMSTAD基準案例

為了提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的性能，改進建筑圍護結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞計算模型，歐盟在2000年發(fā)起了一項研究項目HAMSTAD（Heat， Air and Moisture Standards Development）[18]，其目的在于確定多孔材料的液體水轉(zhuǎn)移特性和發(fā)展數(shù)值評估方法。該研究吸引了許多著名學校和重點實驗室參與進來，其結(jié)果可靠，并且提供了詳細的設(shè)置說明，方便模擬驗證。

為了準確地反映極端熱濕地區(qū)的特性，采用HAMSTAD-benchmark 4模型進行模擬驗證。HAMSTAD-benchmark 4模型是一個比較特殊的模型，該模型分析了暴露在非穩(wěn)態(tài)室外氣候和相對穩(wěn)定的室內(nèi)氣候條件下外墻內(nèi)的溫度和含濕量分布，在研究熱濕耦合傳遞的基礎(chǔ)上，進一步探索了雨水和太陽輻射對圍護結(jié)構(gòu)的影響，同時，整個模型是氣密性的，蒸汽將以滲透的形式傳輸。模擬時長為120 h。此外，其物性參數(shù)隨含濕量的變化如表1所示，滿足研究極端熱濕地區(qū)的需要。

3.2 COMSOL軟件設(shè)置的研究

為了保證模擬的準確性，先對COMSOL軟件模擬的設(shè)置對計算結(jié)果影響進行了分析，首先進行容差設(shè)定分析，COMSOL提供了相對容差（Rtol）和絕對容差（Atol）對誤差進行限定。因為絕對容差幾乎總是必須被修改，因此，沒法給出一個最好的通用缺省值，使用一個很小的絕對容差可能是一個很好的選擇，這會使相對容差成為控制誤差的決定因素，筆者在絕對容差設(shè)定時都采用比預期的變化小一個數(shù)量級。相對容差軟件默認的是0.01，將相對容差分別設(shè)定成10-9、10-3和10-2，對結(jié)果進行最大誤差分析。

相對容差10-3和10-9之間含濕量的最大相對誤差為0.7%，10-2和10-9之間含濕量的最大相對誤差為12.8%。從結(jié)果上看，相對容差設(shè)定成10-9或10-3較為合適，按默認取值會造成傳濕計算的較大誤差，然而，相對容差設(shè)定成10-9的計算時間是其他兩個值的10倍左右，為了方便，相對容差推薦設(shè)定成比默認值小10倍，即0.001。

此外，對網(wǎng)格劃分對結(jié)果的影響進行對比分析，網(wǎng)格按極細化、較細化和常規(guī)進行劃分，最大相對誤差都在0.1%以內(nèi)。結(jié)果上看，COMSOL軟件默認的網(wǎng)格劃分都較細致，但由于計算時間差距不大，推薦根據(jù)計算的目標來采用極細化或較細化的網(wǎng)格來減少網(wǎng)格劃分帶來的誤差。

此外，值得注意的是，當材料處于濕飽和狀態(tài)，毛細壓力超過飽和毛細壓力時，雨水將不再進入圍護結(jié)構(gòu)而是直接落下。因此，在計算的時候，需要將其分別計算。筆者通過在全局變量添加插值函數(shù)satu（w）來模擬這一過程。

因此，淋雨的濕通量為grain×satu（w）。

3.3 結(jié)果對比

圖1～圖4中TEST曲線為該模型的計算結(jié)果，其他曲線是由HAMSTAD參與學校或組織提供，分別為：Chalmers University of Technology， Coordinator of WP（CTH）、TNO Building and Construction Research （TNO）、University of Leuven （KUL）、Technical University of Dresden （TUD）、Technion Israel Institute of Technology （Technion）、Eindhoven University of Technology （TUE）、National Research Council of Canada （NRC）、Fraunhofer Institute of Building Physics （IBP）。

從結(jié)果來看，無論內(nèi)表面還是外表面，該模型所代表的曲線TEST均可以準確地反映出在雨水和太陽輻射影響下多層圍護結(jié)構(gòu)的熱濕耦合傳遞過程，模擬結(jié)果準確地反映了太陽輻射影響下圍護結(jié)構(gòu)表面的波動，以及在雨水作用下圍護結(jié)構(gòu)的傳濕。模擬結(jié)果與基準值基本一致，該模型模擬結(jié)果良好。

4 結(jié)論

以毛細壓力與溫度為驅(qū)動勢，建立了一種適應(yīng)于極端熱濕地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞模型，在該模型的基礎(chǔ)上，提出了基于計算機軟件COMSOL和MATLAB的熱濕耦合模型的求解方法，并與HAMSTAD基準進行了驗證，驗證結(jié)果良好。得到以下結(jié)論：

1）COMSOL模擬熱濕耦合傳遞時，相對容差推薦設(shè)定為0.001，絕對容差設(shè)定為0.000 1，網(wǎng)格按極細化劃分。

2）在極端熱濕地區(qū)，為了準確反映高溫和多雨對圍護結(jié)構(gòu)的影響，提出了適宜于極端熱濕地區(qū)的熱濕耦合模型邊界條件，該方法可以準確地模擬出太陽輻射和雨水對圍護結(jié)構(gòu)傳熱傳濕的影響。

3）在計算雨水負荷時，需要注意圍護結(jié)構(gòu)的吸附能力，當圍護結(jié)構(gòu)表面達到飽和時，多余的雨水應(yīng)該不參與計算。

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（編輯 胡英奎）