【摘 要】
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建筑墙体多为多孔介质材料,其内部传热与传质过程同时进行。热湿传递相互耦合、机理复杂且模型高度非线性。在降雨较多的南方湿热地区,风驱雨会影响墙体内温度和含湿量分布,造成墙体内部湿分积聚、冷凝和发霉等问题。研究风驱雨对墙体热湿性能的影响对准确计算墙体传递冷热负荷、优化墙体保温厚度以及改善与墙体传湿有关的室内空气品质问题等方面具有重要意义。本文以多孔介质传热传质理论为基础,建立超吸湿条件下热湿耦合传递数
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建筑墙体多为多孔介质材料,其内部传热与传质过程同时进行。热湿传递相互耦合、机理复杂且模型高度非线性。在降雨较多的南方湿热地区,风驱雨会影响墙体内温度和含湿量分布,造成墙体内部湿分积聚、冷凝和发霉等问题。研究风驱雨对墙体热湿性能的影响对准确计算墙体传递冷热负荷、优化墙体保温厚度以及改善与墙体传湿有关的室内空气品质问题等方面具有重要意义。本文以多孔介质传热传质理论为基础,建立超吸湿条件下热湿耦合传递数学模型。对风驱雨影响下建筑墙体热湿性能进行了系统的研究。主要研究内容包括:(1)探究多孔介质热湿耦合传递机理,针对超吸湿条件下多孔介质的蓄湿特点和湿分传递机理,提出将湿传递驱动势表示成温度和毛细压力的函数形式。以温度和毛细压力为驱动势建立适用于超吸湿条件的热湿耦合传递模型。采用偏微分方程求解计算工具对本文建立的数学模型进行求解。(2)通过对比本文建立的热湿耦合传递模型模拟结果与欧盟HAMSTAD基准案例结果、国外气候室实验结果以及实际建筑测量结果,验证了超吸湿条件下以毛细压力作为湿驱动势的热湿耦合传递模型的准确性。(3)分别在考虑风驱雨(CHM-WDR)、不考虑风驱雨但考虑湿传递(CHM-NOR)、纯考虑导热(TH)三种模拟条件下计算墙体传递冷热负荷的差异,对比分析了风驱雨对单位面积外墙传热产生的供暖空调能耗的影响。(4)分别在考虑风驱雨、不考虑风驱雨但考虑湿传递、纯考虑导热三种模拟条件下计算墙体最优保温厚度的差异,对比分析了有无风驱雨的湿传递对墙体最优保温厚度的影响。(5)应用本文建立的热湿耦合传递模型模拟计算墙体内发生毛细冷凝的风险,并与传统的稳态冷凝方法进行对比。(6)应用本文建立的热湿耦合传递模型模拟计算有风驱雨和忽略风驱雨影响下墙体内霉菌生长的风险。在考虑风驱雨影响的条件下,对比分析了以毛细压力和相对湿度为湿驱动势的两种模型模拟得到的墙体内霉菌生长指数的差异。(7)应用本文建立的热湿耦合传递模型模拟计算有风驱雨和忽略风驱雨影响下墙体中松木板交界面处木材腐烂的风险。在考虑风驱雨影响的条件下,对比分析了以毛细压力和相对湿度为湿驱动势的两种模型模拟得到的墙体中松木板交界面处木材腐烂风险的差异。通过上述研究,可以得到以下结论:(1)在墙体内相对湿度接近100%的情况下,以毛细压力为湿驱动势的热湿耦合传递模型模拟结果比以相对湿度为湿驱动势的模型更为准确。本文建立的以毛细压力为湿驱动势的热湿耦合传递模型适用于计算超吸湿条件下多孔墙体的热湿特性。(2)与纯考虑导热情况相比,在考虑风驱雨的影响时夏季东、南、西、北向砖墙传递的总冷负荷分别增加-2.48%、1.77%、-7.87%、-46.08%。与纯考虑导热情况相比,在考虑风驱雨的影响时冬季东、南、西、北向砖墙传递的总热负荷分别增加3.15%、3.24%、63.28%和71.53%。(3)在纯考虑导热时,东、南、西、北向砖墙传热产生的全年供暖空调能耗分别为7662.3、6694.2、8443.8、7401.7 k W·h/m~2。在考虑风驱雨的影响时,东、南、西、北向砖墙传热产生的全年供暖空调能耗比纯考虑导热情况分别增加了1.53%、2.77%、33.38%、42.48%。(4)在纯考虑导热时,东、南、西、北向砖墙最优保温厚度分别为0.070、0.065、0.075、0.070m。在有风驱雨的湿传递影响时,东、南、西、北向砖墙最优保温厚度分别为0.075、0.070、0.090、0.080m。(5)当忽略风驱雨的影响时,用稳态冷凝方法计算得到夏季东、南、西、北向砖墙保温层与砂浆界面处的冷凝量分别为0.3、0.2、0.6、0.1kg/m~3。当考虑风驱雨的影响时,用毛细冷凝方法计算得到夏季四向砖墙保温层与砂浆界面处的冷凝量分别为0、53.0、55.9、80.9kg/m~3。(6)当忽略风驱雨的影响时,砖墙外表面、砖墙中松木板交界面处、砖墙内表面的霉菌生长指数最高为0.88、0.18、0.30。当考虑风驱雨的影响时,砖墙外表面、砖墙中松木板交界面处、砖墙内表面的霉菌生长指数最高可以达到2.38、4.10、0.39。(7)当考虑风驱雨的影响时,在两年的时间内砖墙中松木板交界面处木材腐烂质量损失率达到7.9%。当忽略风驱雨的影响时,砖墙中松木板交界面处不会发生木材腐烂。
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