利用CFD方法研究室内湿度和结露分布

摘要：本文首先建立了在气流场，温度场之外，能够分析室内湿度分布，结露分布，计算结露量动态形成过程的CFD计算模型，并给出了自由水面热湿同时移动的计算新方法；通过与模型试验结果的比较，验证了计算模型的精确性；最后通过具体算例，发现通风方式对室内湿度分布和结露的形成影响很大，在室内湿度较大的场合，可以通过通风方式的优化设计更有效地解决除湿和结露问题。

关键词：CFD模拟 结露 湿度 通风

1.前言 湿度环境问题不同于其他室内污染问题，湿度过高或过低都将严重影响建筑物性能和居住者健康。湿度过低，人会产生干燥等不适感，引起墙体裂缝，木制板材变形，另外据北欧学者的研究，流感病菌在低湿度下生存率明显增加；而湿度过高，一方面造成墙体表面及内部结露，降低墙体断热和耐久性，影响建筑物寿命[1]，另一方面，当湿度超过70%时，会带来霉菌（Fungi）的大量繁殖，引起过敏性皮炎，哮喘等疾病，影响居住者的身体健康[2-5]。我国地域辽阔，不同地区室内湿度环境呈现出不同的特点。因此，深入地研究室内湿度环境问题具有重要的意义。

随着计算机功能的飞速发展，CFD仿真技术在建筑环境领域，如室内温度场分布，换气效率，人体周边微环境等研究中日益得到应用。但是到目前为止，国内外利用CFD技术分析研究室内湿度分布规律的还很少[6，7]，而以此研究室内结露的形成和发展的还没有。

2.考虑湿度和结露计算的CFD修正模型 本研究中采用标准k-ε紊流模型。但考虑到水蒸气含量较大时空气密度会出现变化，从而影响浮力的计算，依据近藤等提出的方法[8]，对模型进行了修正，在浮力项中导入βx。修正的湿・结露CFD计算模型见表1。另外，本研究中还考虑了结露量的计算。由于结露的形成是一个动态的过程，提出了两个随时间变化的指标：至时间t，1）单位壁面积上的结露量CON(s,t)；2)壁面总结露量SUMCON(t)。计算方法及其与CFD模型的结合见图1。

另外，建筑内的湿源，如浴室和厨房等，由于自由水面面积较大，水温一般高于周围空气温度较多，水蒸气分子在扩散过程中还同时伴随有热的交换。如果不考虑这种热湿的同时传递将会给室内温湿度分布和气流计算结果带来较大的误差。由于这方面的研究较少[9]，我们通过试验发现自由水面的热湿传递量m和qm由以下公式确定，然后可以向上的热湿流束的形式作为内部边界条件代入CFD计算中：

图1 湿・结露CFD计算模型中的结露计算流程

模型的计算公式 表1 连续方程：

运动方程：

输送方程：

输送方程：

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水蒸气输送方程：

式中：

涡粘性系数等相关项：

下部的区域结露基本消失。算例3的通风量与算例1完全相同，但结露分布形状完全不同。因为变成上送下排的方式，抑制了水面附近的浮力效果造成的水蒸气上升现象，顶棚与侧壁上部的结露减少。图8给出了三个算例的各壁面及总的结露量的计算结果(t=60min)。由图可知，算例2和算例3的总结露量分别只有算例1的26%和20%。

图7 不同通风量与通风方式对结露分布的影响（左：算例2；右：算例3）

图8 不同通风量与通风方式下结露量的变化