11-刘向伟-热湿气候地区建筑墙体热湿耦合传递模型与逐时模拟ppt课件

1、热湿气候地区建筑墙体热湿耦合传递热湿气候地区建筑墙体热湿耦合传递 模型与逐时模拟模型与逐时模拟 报告人：刘向伟 陈友明 研究背景与意义研究背景与意义 研究背景： 大部分建筑墙 体为多孔介质 材料，墙体中 同时存在热迁 移、湿迁移， 且相互耦合 材料的固有属性 热湿气候地区常见高温高湿天气 气候属性 cq.weather/zt/tqzt/2126919.shtml 建筑墙体内湿迁移与积累会引发诸多问题：建筑墙体内湿迁移与积累会引发诸多问题： 1) 1) 降低建筑围护结构的热阻，增加建筑能耗降低建筑围护结构的热阻，增加建筑能耗 ； 2) 2) 引起霉菌滋生，影响居住者的健康；引起霉菌滋生，影响居住

2、者的健康； 3) 3) 引起围护结构湿损坏，降低建筑安全性及引起围护结构湿损坏，降低建筑安全性及 使用寿命。使用寿命。 霉菌滋生墙体湿损坏 探索建筑墙体内热湿耦合传递机理具有重要的意义 (1)为提高围护结构热工性能、减少建筑能耗提供理 论依据； (2)减少因湿迁移与积累引起的墙体内部霉菌滋生风 险，改善室内空气品质，保证健康舒适的人居环境； (3)降低或避免围护结构湿损坏，延长建筑的使用寿 命，降低建筑生命周期成本。 研究意义： 主要研究内容主要研究内容 建筑墙体热湿耦合传递机理模型 控制方程 6 6.2 10 Tas DDTjP t 6 , 6.2 10 mp mp llvpvp aalva

3、s T cck ThPcj Th jP t 0 aaa aa jkP kP 湿控制方程： 热控制方程： 空气流动方程： 边界条件 , , , ,0 ,0 aa ea n ep ees esurfes surfel aa surfea j xj gPPg j xj , , , ,0 ,0 p aaea n eeesurfelvn elsolarlp le p aasurfea cj Tj qh TThggqg c T cj Tj 室外侧： 室内侧： , , , ,0 ,0 aa surfia n ip iis isurfis surfi aa ia j xj gPP j xj , , , ,0

4、,0 p aasurfia n iiisurfilvn i p aaia cj Tj qh TThg cj Tj 空气由室外侧流向室内ja0，否则ja0 建筑墙体热湿耦合传递模型求解方法建筑墙体热湿耦合传递模型求解方法 建筑墙体内热、空气、湿传递过程相互耦合， 为了获得墙体内的温度和湿度分布，控制方程组需 同时求解。 如何求解建筑墙体热湿耦合传递机理模型？ 传统求解方法传统求解方法( (步骤步骤) )： 将控制方程和相应的边界条件在求解域内用数值方将控制方程和相应的边界条件在求解域内用数值方 法在时间和空间上进行离散，从而将偏微分方程组法在时间和空间上进行离散，从而将偏微分方程组 转化为代数方

5、程组；转化为代数方程组； 用迭代方法，如高斯用迭代方法，如高斯- -赛德迭代法等，对代数方程组赛德迭代法等，对代数方程组 进行求解。进行求解。 COMSOL Multiphysics COMSOL自动对控制方程及边界条件进行离散(避免 了手动离散)； COMSOL自带数值求解器，避免了算法以及输入输 出界面设计； 便于模型修改或二次开发。 COMSOL Multiphysics求解方法求解方法(步骤步骤)： 建立物理模型建立物理模型(Physical model) (PDE interface、poeq)； 画出研究对象的几何形状；画出研究对象的几何形状； 输入材料参数输入材料参数 (材料参数

6、可以是常数，分析函数或插值函数等材料参数可以是常数，分析函数或插值函数等)； 定义控制方程的系数及边界条件和初始条件；定义控制方程的系数及边界条件和初始条件； 对研究对象进行网格划分；对研究对象进行网格划分； 设定求解方式设定求解方式(稳态或非稳态，非稳态则需要设定求解时间及步长稳态或非稳态，非稳态则需要设定求解时间及步长)； 求解及结果输出。求解及结果输出。 COMSOL Multiphysics界面 建筑墙体热湿耦合传递机理模型验证 建筑墙体热湿耦合传递机理模型是对实际物理 现象和过程的抽象与简化，且热湿耦合模型高度非 线性且相互耦合，因而在模型应用之前需对其进行 验证 验证方法：验证方法

7、： 与分析解对比与分析解对比 与其它模型模拟结果对比与其它模型模拟结果对比 与实验测试数据对比与实验测试数据对比 验证结果：验证结果： 与分析解对比与分析解对比 1. EN15026验证实例验证实例 7 7天、天、3030天和天和365365天后材料内的相对湿度分布天后材料内的相对湿度分布 7 7天、天、3030天和天和365365天后材料内的温度分布天后材料内的温度分布 2. HAMSTAD验证实例2 1000h1000h时墙体内时墙体内5cm5cm到到15cm15cm处的含湿量分布处的含湿量分布100100、300300、1000h1000h时墙体内的含湿量分布时墙体内的含湿量分布 与其它

8、模型模拟结果对比与其它模型模拟结果对比 1. HAMSTAD验证实例验证实例1 第一年承重层内的平均含湿量第一年承重层内的平均含湿量第一年保温层内的平均含湿量第一年保温层内的平均含湿量 CTH, TUD, Technion, KUL, IBP, TUE和和NRC表示参与表示参与HAMSTAD项目的其它研究机构的模拟结果项目的其它研究机构的模拟结果 墙体厚度为墙体厚度为0.1m0.1m处的温度分布处的温度分布墙体厚度为墙体厚度为0.1m0.1m处的含湿量分布处的含湿量分布 2. HAMSTAD验证实例3 6060天后墙体内的相对湿度分布天后墙体内的相对湿度分布6060天后墙体内的含湿量分布天后墙

9、体内的含湿量分布 3. HAMSTAD验证实例5 与实验测试数据对比 墙体结构：20mm水泥砂浆+240mm加气混凝土 +20mm石灰水泥砂浆 室内外各时刻温度室内外各时刻温度 室内外各时刻相对湿度室内外各时刻相对湿度 室外侧交界面处相对湿度变化室外侧交界面处相对湿度变化室内侧交界面处相对湿度变化室内侧交界面处相对湿度变化 室外侧交界面处温度变化室外侧交界面处温度变化 室内侧交界面处温度变化室内侧交界面处温度变化 Aver 3.7% Max 7.2%Aver 4.7% Max 8.6% Aver 0.93 Max 1.97 Aver 0.4 Max0.74 建筑墙体内的湿传递对墙体热工性能及能

10、耗的影响：建筑墙体内的湿传递对墙体热工性能及能耗的影响： 直接影响室内环境中的相对湿度水平，从而影响潜热负荷；直接影响室内环境中的相对湿度水平，从而影响潜热负荷； 取代多孔材料孔隙内的一部分空气，这将导致建筑墙体的传热系数增取代多孔材料孔隙内的一部分空气，这将导致建筑墙体的传热系数增 加，保温材料的保温隔热性能下降，从而引起建筑能耗增加；加，保温材料的保温隔热性能下降，从而引起建筑能耗增加； 影响建筑墙体材料的热容，从而影响建筑墙体的蓄热能力，进而影响影响建筑墙体材料的热容，从而影响建筑墙体的蓄热能力，进而影响 建筑系统的峰值负荷，影响采暖、空调系统设备选型。建筑系统的峰值负荷，影响采暖、空调

11、系统设备选型。 由此可知，忽略湿传递的影响会降低建筑系统能效。由此可知，忽略湿传递的影响会降低建筑系统能效。 湿传递对围护结构的热工性能到底有多大影响？湿传递对围护结构的热工性能到底有多大影响？ 湿传递对围护结构热工性能的影响研究 以湿作为单变量，以通过墙体的导热负荷作为评 价指标，对比本研究所建立热、空气、湿耦合模型的 模拟结果(考虑湿)与非稳态导热模型的模拟结果(不 考虑湿)，从而得出湿传递对墙体热工性能的影响。 典型城市选取： 夏热冬冷地区子区域划分、相应划分准则以及典型城市夏热冬冷地区子区域划分、相应划分准则以及典型城市 气象参数： 室外气象参数取典型年气象数据，制冷季室内条件取26

12、，60%；供暖季室内条件取18，50%。制冷季为6月15日至 8月31日；供暖季为12月1日至2月28日。 墙体的构造： 热湿地区居住建筑中常用的砖墙结构示意图热湿地区居住建筑中常用的砖墙结构示意图 结论： 当忽略湿传递时，夏季和冬季的峰值负荷分别被 高估了2.13.9%和4.210.1%； 当忽略湿传递时，制冷季、供暖季和全年全热负 荷分别被低估了9.934.4%、1.64.0%和 4.46.8%。 上述结果表明热湿地区建筑围护结构内的湿传递 对建筑的热性能和能耗性能有显著的影响。在评 价与优化建筑性能时，需考虑湿传递的影响。 背景及现状：背景及现状： 湿热气候地区由于常年湿度大，墙体普遍存

13、在霉菌污染湿热气候地区由于常年湿度大，墙体普遍存在霉菌污染 的风险。的风险。 霉菌的危害：霉菌的危害： 霉菌的生长常常会使墙体表面出现黄色、红色或黑色的霉菌的生长常常会使墙体表面出现黄色、红色或黑色的 污点，影响建筑的美观。污点，影响建筑的美观。 引发过敏、哮喘、呼吸道感染等症状，更为严重的可以引发过敏、哮喘、呼吸道感染等症状，更为严重的可以 引起中毒，直接危害人体的健康。引起中毒，直接危害人体的健康。 墙体内霉菌污染风险控制 霉菌生长的必要条件：霉菌生长的必要条件： (1) (1) 有霉菌孢子有霉菌孢子 (2) (2) 有氧气有氧气 (3) (3) 有霉菌生长所需的养分有霉菌生长所需的养分

14、(4) (4) 适宜霉菌生长的温度适宜霉菌生长的温度 (5) (5) 适宜霉菌生长的湿度适宜霉菌生长的湿度 霉菌生长控制策略：霉菌生长控制策略： 根据霉菌生长的必要条件，理论上只要能控制其中任何根据霉菌生长的必要条件，理论上只要能控制其中任何 一项条件就可以有效的抑制霉菌的滋生一项条件就可以有效的抑制霉菌的滋生 霉菌的孢子和氧气很难进行有效的控制霉菌的孢子和氧气很难进行有效的控制 霉菌生长所需的养分也总是存在的霉菌生长所需的养分也总是存在的 霉菌的生长温度为霉菌的生长温度为040040，最佳生长温度为，最佳生长温度为22352235，而，而 墙体内的温度分布往往与室内热舒适条件有关，一般不能通

15、墙体内的温度分布往往与室内热舒适条件有关，一般不能通 过控制墙体内的温度分布来抑制霉菌的生长过控制墙体内的温度分布来抑制霉菌的生长 控制墙体内的湿度是预防和控制霉菌滋生最有效的方法 霉菌生长风险评估：霉菌生长风险评估： 根据霉菌生长的临界温度和临界相对湿度提出了霉菌生根据霉菌生长的临界温度和临界相对湿度提出了霉菌生 长风险评估指标：长风险评估指标： 式中，式中，RHX为霉菌滋生的临界相对湿度，为霉菌滋生的临界相对湿度，RHX=80%； TX为霉菌滋生的临界温度，为霉菌滋生的临界温度，TX=0。当材料的相对湿度。当材料的相对湿度 RH小于霉菌滋生的临界相对湿度小于霉菌滋生的临界相对湿度RHX时，令时，令RH-RHX=0； 当材料的温度当材料的温度T小于霉菌滋生的临界温度小于霉菌滋生的临界温度TX时，令时，令T-TX=0 。霉菌生长风险评估指标的值越大，霉菌滋生风险越高。霉