自保温墙体热湿传递数值模拟研究

【前言】自保温墙体热湿传递数值模拟研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 自保温墙体热湿传递机理 1.1 多孔介质热湿传递研究现状 自保温墙体多由多孔材料组成，多孔介质理论研究已经有150多年的历史。早在1856年，Darcy对法国Dijon城的地下水源进行了研究，提出了著名的适用于一定条件下多孔介质中流体流动的Darcy定律[4]。1934年Luikov提...

摘要：在建筑能耗中，由于围护结构热损失而形成的能耗占有很大比重。本文以自保温墙体保温体系作为研究对象，采用多孔介质热湿传递理论对自保温墙体处于自然环境下的热湿传递情况进行分析。通过理论分析简化Luikov多孔介质热湿传递模型，结合Fluent对自保温墙体建筑进行热湿工况模拟，将模拟结果与实验实测结果对比后发现误差在允许范围之内，说明该简化模型能够较为准确地反映自保温墙体热湿传递情况，该模型能够为实际工程中节能设计提供辅助，降低节能设计难度，并提高设计准确度。

关键词：自保温墙体；多孔材料；热湿传递；数值模拟

中图分类号：TU973文献标识码： A

0 引言

自保温墙体主要是指采用轻集料砌块、轻质砂加气混凝土砌块、加气混凝土板等具有较大热阻的材料，配套合理的“冷桥”及“接缝”处理措施构成的外墙保温系统。与外墙外保温系统等复合保温技术相比较，自保温墙体具有耐久、防火、耐冲击、施工方便与建筑物同寿命等优势，近年来在我国开始得到越来越多的关注。本文以使用广泛的加气混凝土砌块作为研究对象，加气混凝土是以硅质材料（如砂、粉煤灰、铁尾矿等）和钙质材料（如水泥、石灰等）为基本原料，加适量引气剂和其它外加剂，经加水搅拌、发气膨胀、浇注成型、预养切割、高温蒸养等工序形成的一种轻质多孔材料[1-3]。

1 自保温墙体热湿传递机理

1.1 多孔介质热湿传递研究现状

自保温墙体多由多孔材料组成，多孔介质理论研究已经有150多年的历史。早在1856年，Darcy对法国Dijon城的地下水源进行了研究，提出了著名的适用于一定条件下多孔介质中流体流动的Darcy定律[4]。1934年Luikov提出了热湿耦合传递模型，该模型以Fourier定律、Fick定律、Darcy定律为基础，根据能量守恒定律、质量定律、动量守恒定律建立控制方程。但是由于 Luikov 模型中涉及的一些物性参数难以确定且方程求解困难，影响了该模型的广泛应用；Bear和Whitaker结合经典输运理论、空间平均定律，在作了必要的假设后，通过发展平均体积单元的平衡方程，形成了多孔介质中热湿耦合传递的多相运动方程和能量方程；Kerestecioglu等人提出了非饱和状态下含湿多孔介质中有蒸发冷凝现象存在时热湿耦合传递问题的数学模型；多孔介质墙体不可避免地存在少量的空气渗透；Haupl等人通过能量守恒、质量守恒、线性瞬态对流定律及熵增原理，建立了多孔材料的热、湿及空气渗透三项耦合的非线性微分方程，并开发了相应适合于多维模型运算的软件；张旭等建立墙体内一维热湿传递模型，计算了不同时间步长内墙体温度和水蒸气浓度分布，计算表明时间步长对水蒸气扩散没有影响。

1.2 Luikov模型假设和简化

Luikov认为湿传递不仅取决于热传递，而且还取决于湿组分的再分布，将热交换和湿交换问题看成一体，考虑了总的压力、浓度和湿度梯度、分子迁移以及毛细作用等多种因素对热湿传递的影响，导出了一组热质耦合方程用来描述多孔介质的热湿传递过程。Luikov模型被认为是较为可靠并且实用的，因为温度梯度也是影响介质中湿传递的一个重要因素，因此，将热传递方程跟湿传递方程分开并不能真实的描述湿材料内部的热湿传递现象。

本文对Luikov模型进行分析简化，并利用它进行数值模拟，分析Luikov模型与实际实验数据的吻合情况。

为了对Luikov模型进行简化，以加气混凝土自保温墙体为研究对象，我们做出如下假设：

（1）加气混凝土的热物性参数恒定不变；

（2）初始温湿度在加气混凝土各处是相等的；

（3）加气混凝土内部无内热源。

基于以上假设，我们可以得出加气混凝土的三维热湿耦合传递方程如下：

（1）热传递方程

（1）

（2）湿传递方程

（2）

式中：为竹材密度；cq为比热容；T为温度；t为时间；kq为导热系数；为水蒸气扩散系数；为潜热；为热梯度系数；cm为比湿容量；U为湿度势。

边界条件为：

（3）

（4）

初始条件：

（5）

（6）

U为湿传递势，U与含湿量C有如下关系：

（7）

2 实验与数值模拟研究

2.1 实验条件

本实验于2011年12月4日至2011年12月6日在大连进行，实验房尺寸为1.5m×1.5m×2m，为正南北朝向，实验房墙体构成材料及结构示意图见图1，墙体构成材料的热物性参数详见表1。

图1 实验房墙体结构示意图

表1 墙体构成材料热物性参数

墙体构成

材料 厚度

(mm) 导热系数(W/m・K) 干密度(kg/m3) 比热容(J/kgK) 24h蓄热系数(W/m2k)

水泥砂浆 20 0.93 1800 1050 11.37

加气混凝土 200 0.19 500 1050 2.42

实验房内外均布置多个温、湿度传感器，用于采集室内外温湿度数据，最终数据取多个传感器数据的平均值，以减小误差。

2.2 实验结果分析

实验房处于自然环境下，为了模拟室内采暖工况，实验房内部安置加热器，加热功率为160W（按80W/m2设定），试验过程中同时采集室外和室内的温湿度数据。在连续3天采集数据后，整理采集到的数据，选取第3天实验房内外温湿度数据如下图2：

图2 室内外温度实测值对比

通过分析采集到的数据可以得到，室外温度24h平均值为-5.4℃，室内温度平均值20℃。从图2可以看出，室内温度较室外温度波动有2h~4h的延迟，并且波动的幅度也较室外温度小了很多，室外最高温度与最低温度之差有13.5℃，而室内最高温度与最低温度之差只有4.5℃。这说明加气混凝土自保温墙体本身热阻大、蓄热能力强，能够降低室外温度波动对室内的影响，具有较好的保温效果，适用于冬季北方地区外墙保温。

图3 室内空气温度模拟值与实测值对比

图4 室内空气相对湿度实测值与模拟值对比

对室内温度及湿度的模拟，采用成熟稳定的商用计算软件Fluent进行，通过用户自定义函数（UDF）功能将Luikov三维热湿耦合传递模型导入Fluent。室外温、湿度、加气混凝土自保温墙体传热系数、比热、蓄热系数等参数为边界条件。模拟处于自然环境下，也即非稳态环境下的具有自保温墙体的实验房内温湿度变化情况。

从以上图3、图4中可以看出，室内温度模拟结果相对于实验测试结果的最大绝对误差在1℃以内，最大相对误差在5%以内；室内相对湿度模拟结果相对于实验测试结果最大绝对误差在7%以内，最大相对误差在10%以内。应当说在现有实验测试条件及数值计算条件下，这样的精度是可以接受的，该数值模型能够较好的模拟自然环境下自保温墙体建筑室内温湿度变化情况。

3 结论

本文以加气混凝土自保温墙体建筑为研究载体，通过对Luikov三维热湿耦合传递模型进行分析和简化，并合理设置边界条件，通过对室内温、湿度模拟值与实测值的对比，发现该简化热湿传递模型能够较为准确地计算室内热湿状况，在工程实际应用中，针对采用自保温墙体的节能设计，可以采用该模型进行辅助设计，以期能够达到更好的节能效果。因此该数值模型值得推广，以促进外墙自保温系统的推广和建筑节能大战略的实施。当然，本文的研究工作仍有不足之处，针对自保温墙体建筑，建筑护结构梁、柱所形成的热桥部位的热湿传递情况限于条件限制并未加以考虑，在以后的研究工作中将进一步完善模型，对自保温墙体建筑热湿传递情况进行更深入地分析。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院. GB50176-1993 民用建筑热工设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1993.

[2] 中国建筑科学研究院. GB50189-2005 公共建筑节能设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.

[3] 吴志敏, 许锦峰, 张源等. 自保温墙体在夏热冬冷地区的应用[J]. 建筑节能, 37(319): 8-12.

[4] 孔祥言. 高等渗流力学[M]. 安徽: 中国科学技术大学出版社, 1999.