多孔介质建筑墙体热湿耦合迁移数值模拟研究

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高温高湿环境下,多孔介质墙体内部容易积累水分,会导致墙体的热工性能降低,从而引起能耗增加、室内空气品质降低等诸多问题。而在现有研究基础上,设计人员在计算建筑能耗时,往往会忽视湿迁移及积累对墙体得热量的影响,使得计算出的负荷与实际偏离量较大。因此,为了更准确地计算墙体得热量,本文在前人基础上,以最新的墙体热湿耦合传递理论为基础,建立了动态热湿耦合迁移数学模型模拟多孔介质墙体的热湿传递过程,以满足现有工程对准确计算负荷的需求。由于在求解时会涉及到非线性方程组求解问题,本文选择Crank-Nicholson(加权隐式)格式离散控制方程组,以C++为工具编制了计算程序,并附录中给出程序的详细内容。首先,以能量守恒和质量守恒原理为基础,分别以温度和相对湿度为驱动势建立了热控制方程和湿控制方程,从而避免了在多层建筑墙体交界面处驱动势不连续的问题。采用有限差分法离散热湿耦合迁移控制方程,由于温度和相对湿度的相互耦合特性,因此方程组呈高度非线性,且离散后方程组系数以待求未知量的函数形式给出,求解难度大。本文采用牛顿迭代法求解非线性方程组,将含有多个未知数的非线性方程组转变为线性方程组,降低了求解难度,并使用列主消元法对线性方程组进行求解。然后,将自编程序计算结果与COMSOL Multiphysics软件的计算结果以及Rafidiarison[1]等人的实验数据集进行对比,以验证模型及程序的正确性。结果表明:新建热湿耦合模型模拟结果误差在工程允许的范围内,从而验证了模型的正确性;自编程序计算结果与COMSOL Multiphysics软件计算结果接近,从而验证了程序的准确性。最后,以典型年的气象数据作为输入条件,分别利用本文建立的热湿耦合迁移模型和不考虑湿迁移的传统非稳态传热模型计算了上海、武汉、重庆地区的南立面砖墙供冷季、供暖季的得热量,结果如下:不考虑热湿耦合迁移导致上海、武汉和重庆地区墙体在供冷季累计得热分别被低估10.04%、8.69%和9.11%;在供暖季累计失热分别被低估6.34%、6.62%和6.13%。研究结果表明,忽视围护结构内湿迁移将导致能耗计算结果被低估,因此,在计算热湿气候地区建筑能耗时应综合考虑热湿耦合迁移的的影响。
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