黃祖堅 孫一民



摘? ?要:為明確氣候參數、材料參數對建筑圍護結構模擬結果的影響,以及熱濕耦合傳遞模型(HM)和被普遍采用的Glaser模型之間的差異,在熱濕過程模擬軟件WUFI Plus中選擇北美典型氣候區的20個代表城市,設置15組外墻構件,進行空間單元HVAC需求、室內熱濕環境和外墻熱濕性能的全年模擬.模擬結果與室外氣候參數進行相關性分析,表明室外氣溫、太陽輻射、相對濕度和風驅雨不同程度地影響相關結果.通過材料參數控制所得2組HM和3組Glaser模型的對比,表明液態水相關參數、含濕量引起的材料參數的變物性取值對模擬結果有顯著影響.北美典型氣候區HM模擬對我國建筑圍護結構熱濕過程相關的氣候參數、材料參數和評估方法的研究具有借鑒意義.
關鍵詞:典型氣候區;建筑圍護結構;熱濕耦合傳遞模型;Glaser模型
中圖分類號:TU111.19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼:A
Abstract:To determine the impact of climate data and material parameter on building envelope simulation results,and to investigate the difference between coupled heat and moisture transfer model (HM model) and the widely used Glaser model,15 groups of exterior walls were constructed in WUFI Plus with 20 representative cities of the North America typical climate zones as external conditions,and simulated for the annual HVAC demand,indoor hygrothermal environment and the exterior walls hygrothermal performance. Correlation analyses between the simulation results and the climate parameters showed that the exterior air temperature,solar radiation,relative humidity and drying rain affected the related simulation results to varying degrees. Comparison among the 2 HM and 3 Glaser model groups distinguished with specific material parameters,showed that liquid water dependent parameters,variation of moisture content dependent heat and moisture transport properties had significant influence on the simulation results. The HM model simulation in North America typical climate zones could contribute implications to the studies on climate data,material parameters and evaluation methods for the heat and moisture process in building envelope.
Key words:typical climate zone;building envelope;coupled heat and moisture transfer model;Glaser model
準確理解建筑圍護結構的熱濕過程,并進行合理控制,有助于延長建筑構件壽命[1]、降低建筑運行能耗[2]、提高室內環境舒適性與衛生質量[3-4].在建筑熱工學領域通常采用熱濕過程模型進行計算,在1990年以前由Glaser提出的穩態蒸汽滲透模型,采用蒸汽壓作為驅動勢,基于Fick定律確定純蒸汽的濕分遷移速率[5],這一方法操作性強,可以對建筑構件進行初步的濕性能評價,預測冷凝部位和冷凝程度,因而被廣泛使用,如EN ISO 13788、DIN 4108、GB 50176-93/2016[6].然而實際的濕過程常常是非穩態、多相同時發生的,對建筑圍護結構性能的精確認識要求從Glaser的簡單評估轉變為對濕過程的仿真模擬.
1975年Luikov基于Fourier 定律、Fick 定律和Darcy 定律,根據能量守恒定律、質量定律和動量守恒定律建立起控制方程,從機理上較真實地描述濕分在多孔介質中的遷移過程[7].近20年,在Luikov熱濕耦合傳遞理論的基礎上,Molenda、Pedersen、Künzel、H?覿upl、Janssen、Mendes、Steeman和Tariku等人相繼提出分析建筑圍護結構中熱量和濕分耦合傳遞模型(Coupled heat and moisture transfer model,簡稱HM模型)[8-15].這些模型已經得到不同角度的驗證,2008年完成的IEA Annex 41項目對17種HM模型及數值模擬工具進行詳細比較,并完成7項聯合對比任務,證實主要HM模型的計算結果、及其與實測結果之間非常接近[16-17].HM模型基礎理論在我國也得到許多學者的關注,陳友明、郭興國、劉向偉、王瑩瑩、孔凡紅、鄭茂余、張華玲等學者從不同角度開展HM模型研究[18-27],其中湖南大學的李念平團隊推導竹膠合板外墻熱濕過程模型并進行實測檢驗[28].
HM模型通常采用高度耦合的非線性偏微分方程來同時描述建筑圍護結構中的熱濕傳遞過程[29].
由于運算過程中需要不斷地通過有限差分法對方程組進行求解,并通過積分更新構造內熱濕場分布,其計算時間可達普通能耗模型的102~104倍.計算機工具是HM模型投入實際應用的前提條件,已有部分計算機軟件與HM模型結合進行特定分析,如BES-HAM的建筑能耗模擬分析,WUFI系列軟件的建筑熱濕環境、建筑構造熱濕傳遞和霉菌增長分析等[29-30].常用建筑熱濕過程模擬軟件還有Delphin(德國)、CHAMPS(美國),部分綜合能耗模擬軟件如EnergyPlus(美國)、TRNSYS(美國&歐洲)也增加HM功能.計算機工具的支持使未來以HM模型的模擬仿真取代Glaser模型的簡單評估具有可行性.
在實驗室和實踐工程中,HM模型及其計算機工具體現出的可信度為其贏來越來越多從業者的接受,DIN4108—3標準已經承認這些方法[10].相比之下,我國目前GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》對建筑圍護結構的計算偏重于熱過程,而濕過程仍基于Glaser模型的簡單評估,與此相應的氣候和材料研究也相對滯后.在建筑氣候研究上,采用氣溫和太陽輻射為分區依據,未給予環境濕度和降雨參數足夠重視;在材料數據庫上,目前對常用建筑材料的參數積累只能用于Glaser模型的簡單計算,無法支撐完整的HM模型.
為明確氣候參數、材料參數對建筑圍護結構模擬結果的影響,以及HM模型和Glaser模型之間的差異,本文采用德國Fraunhofer IBP開發的熱濕過程模擬軟件WUFI Plus,選擇氣候參數完善的北美典型氣候區進行模擬和分析,為我國建筑圍護結構熱濕過程相關的氣候參數、材料參數和評估方法的研究提供參考.
1? ?基于Künzel方程的HM模型
HM模型與Glaser模型存在許多不同.HM模擬采用熱濕耦合的方式進行,而非讓熱過程和濕過程分離開來計算;除氣溫、相對濕度、太陽輻射外,HM氣候參數還包括降雨因子;除表觀密度、比熱容、導熱系數、蒸汽滲透阻力因子外,HM模型還需要等溫吸放濕曲線、孔隙率、液態水傳遞系數等材料參數;考慮多相濕過程,以及材料濕儲存性質(含濕量)對熱傳遞性質、液態水和氣態水傳遞性質的影響.
不同學者在研究HM模型中,由于基礎描述方程的差異,需要不同的材料參數作為輸入.而對于同一材料參數,由于對驅動勢選擇和取值方法等方面的差異,以及對環境因素、材料含濕量等影響的不同判斷,也會有不同測試要求.采用溫度作為熱量傳遞的驅動勢得到比較一致認可,但對于濕分傳遞的驅動勢則沒有形成統一的觀點.常用的濕分傳遞驅動勢有溫度、含濕量、蒸汽壓和抽吸應力.
1995年,德國建筑物理學家H M Künzel通過理論推算和實測檢驗將熱濕傳遞計算所需材料參數進行簡化,提出以蒸汽壓和相對濕度作為濕傳遞驅動勢的改進的Luikov模型,將熱量和濕分過程描述為兩個耦合微分方程[10].兩等式左側由儲存部分構成:熱儲存包括干燥材料的熱容和材料中濕分的熱容,濕儲存根據材料等溫吸放濕曲線來描述.等式右側由傳遞部分構成:熱傳遞根據含濕量相關的導熱系數和蒸汽焓流來描述,后者是由于濕分從一處蒸發吸熱,然后擴散到另一處冷凝放熱的潛熱效果.液態水傳遞包含受相對濕度差驅動的表面擴散和毛細傳導,受溫度影響相對較小.氣態水擴散則受溫度場強烈影響.以Künzel方程為基礎,德國Fraunhofer IBP開發出熱濕過程模擬軟件WUFI Plus(W?覿rme- Und Feuchte- transport Instation?覿r非穩態瞬時熱量和水分傳輸).如圖1所示.
2? ?模擬方案
WUFI Plus模型的運行需要設置外部條件、內部條件、邊界條件、HVAC條件,和數據網格、時間步長等控制參數,如圖2所示.
1)外部條件.根據K?觟ppen的氣候區劃分方法,北美氣候區類型豐富,對我國典型氣候區具有較為完整的參考價值.選擇北美15種典型氣候區的20個代表城市的氣候數據作為模型的外部條件,如圖3所示.
2)內部條件.建立尺寸為 3.0 m×3.0 m×3.0 m(開間×進深×層高)的空間單元.設置9:00-17:00為房間工作時間,并賦予標準辦公間使用強度的室內熱濕負荷,其中對流熱:33.3 W,輻射熱:25.2 W,濕分:17.55 g/h,CO2發生量:20.79g /h,人員活動量:1.2 met.
3)邊界條件.選擇四面外墻作為研究對象,面積均為9 m2,將頂面天花及底面地板設置為相同內部條件的兩房間之間的分隔(space with the same interior conditions),以避免頂、底面的熱濕傳遞干擾.外墻構造上類型上設置常用的3種類型,包括L型(外面板+填充層+內面板)、H型(砌體層+內面板)和M型(砌體層 + 填充層 + 內面板).構造層厚度設置參考北美對相應氣候區的U值要求,分為0.15/0.2/0.4/0.6/1.0 W/(m2·K)的5個組,如表1所示.
4)HVAC條件.基于以上設置的外部、內部和邊界條件,首先關閉HVAC,模擬在無設備條件下室內熱濕環境和外墻熱濕性能;然后打開HVAC,以理想的供暖和制冷、加濕和除濕設備維持一定室內溫濕度,輸出空間單元的供暖和制冷量,以及加濕和除濕量.運行時間2015-01-01至2017-01-01,對2016-01-01 至2017-01-01進行數據收集,時間步長為1 h.
通過材料參數調整,設置2組HM模型(HM和HM0)和3組Glaser模型(Glaser0,Glaser50和Glaser75).其中HM組采用完整的材料參數,而HM0在HM材料參數的基礎上將其毛細吸水速率和液態水傳遞速率設為0,并將模型外墻降雨負荷關閉.Glaser0、Glaser50和Glaser75分別采用恒定對應RH=0%,RH=50%和RH=75%的熱傳遞和氣態水傳遞性質的參數,且將濕儲存性質和液態水相關性質設為0,從而切斷熱濕過程之間的耦合關系,使模型熱過程和濕過程模擬相互獨立開.
3? ?結果分析
3.1? ?氣候參數相關性分析
選擇開啟理想HVAC情況下年供暖&制冷量P值、供暖峰值Pheating.max和制冷峰值Pcooling.max、加濕&除濕量H值、加濕峰值Hhumid.max和除濕峰值Hdehumid.max表征空間單元HVAC需求;關閉HVAC情況下室內年溫、濕度均值Timean和RHimean及相應波幅Tiamp和RHiamp表征室內熱濕環境;通過建筑四面外墻的年熱、濕流量Hflow和Mflow及相應峰值Hflow.max和Mflow.max表征外墻構造熱濕性能.選擇室外年空氣溫度Te、太陽輻射總量SR、年空氣相對濕度RHe和年風驅雨量DR作為室外氣候參數.將模擬結果與氣候參數進行相關性分析.
考慮到模擬結果和氣候參數之間不符合雙變量正態分布,且變量之間無線性相關,因而選擇非參數統計方法的Spearman相關系數進行分析,借助統計分析軟件SPSS進行操作.將相關指標分為兩組,組1為模擬結果和氣候參數之間總量和均值指標的相關性分析,組2則針對波幅和峰值(注:由于所有城市氣候參數中年室外相對濕度最大值均為100%,年風驅雨最小值均為0,因此相應地僅采用年室外相對濕度最小值和年風驅雨最大值進行分析).
總量和均值相關性分析結果表明,與熱過程相關的指標中,Timean、P值和Hflow均與Temean和SR存在0.01層上顯著的相關關系,且Timean和Hflow分別和DR在0.05和0.01層上顯著相關,可見建筑圍護結構熱過程不僅取決于熱氣候參數,也受濕氣候參數的影響;與濕過程相關的指標中,RHimean和RHemean存在0.01層上顯著的相關關系;Mflow和DR在0.05層上顯著相關;而H值則沒有表現出與室外氣象參數的明顯相關關系.波幅和峰值相關性分析結果表明,Tiamp和RHiamp和室外空氣溫度振幅均存在0.01層上顯著的相關關系,且RHiamp還與室外相對濕度和年風驅雨峰值在0.01層上顯著相關;在HVAC峰值相關指標中,除年供暖峰值外,制冷、加濕和除濕峰值分別與年均室外氣溫和年風驅雨峰值存在顯著相關關系;外墻Hflow.max和Mflow.max分別和年室外氣溫和年風驅雨峰值之間在0.01和0.05層上顯著相關,如表2所示.
同一熱分區,不同濕分區的不同模型組之間模擬結果存在顯著差異,室外相對濕度和降雨等濕氣候參數的影響不可忽略.因此依據氣溫、太陽輻射強度進行單純的熱工分區,以及單一的分區傳熱系數U值規定作為建筑圍護結構設計依據存在一定缺陷.美國的建筑氣候分區方法采用氣溫和太陽輻射作為一級區劃指標,其下根據相對濕度和降雨量又作二級區劃,以此保證熱氣候參數為主,又兼顧濕氣候參數作為設計依據,這對我國建筑氣候區劃方法有參考意義,如圖4所示.
3.2? ?材料參數對模擬結果的影響
3.2.1? ?液態水對模擬結果的影響
以HM0模型組(不考慮風驅雨)和HM模型組(考慮風驅雨)模擬結果的比值作為指標,對南面外墻L類構造和M類構造的填充層含濕量,以及H類構造的砌體層含濕量進行比較.HM0 /HM模型組計算結果比值最小分別可達92.84%、31.93%和5.86%.可見液態水傳遞對模擬結果有不可忽略的影響,通常采用的Glaser評估方法未考慮降雨因素作用,會使構造含濕量被不同程度地低估,如圖5所示.
HM0/HM模型組模擬結果對比表明液態水對HVAC需求、室內熱濕環境、建筑構件熱濕性能計算結果有明顯影響.對于L類構造,由于外面板的液態水傳遞阻力較大,液態水對構造整體及所圍護空間的影響受到阻擋,此時HM0/HM模型組模擬結果各指標的比值在98.85%~100.88%之間.對于H類構造,由于構造主體層直接與外部雨水接觸,風驅雨對構造影響最大,HM0 /HM模型組模擬結果比值中,有:HVAC相關的P:78.07% ~ 100.00%,Pheating.max:78.77%~ 100.00%,Pcooling.max : 95.02%~ 125.95%;
Hdehumid.max:51.91% ~ 06.83%;室內熱濕環境相關的Timean:100.00%~ 104.92%,Tiamp:96.43% ~ 102.75%,RHimean:94.01% ~ 100.00%,RHiamp:91.61% ~ 106.57%;外墻熱濕性能相關的Hflow:94.95%~100.07%,Mflow:92.08%~ 100.00%.M類構造受液態水影響介于L和H之間,相應各指標的比值在59.78%~108.19%之間,如圖6所示.
3.2.2? ?導熱系數變物性取值對計算結果的影響
以HM0模型組為基準,將年供暖&制冷量及其峰值、年室內空氣平均溫度及其振幅和外墻年熱流量的Glaser/HM0模擬結果比值r-P、r-Pheating.max、r-Pcooling.max、r-Timean、r-Tiamp和r-Hflow作為指標,相應的值為r-P:78.10%~116.35%、r-Pheating.max:44.02%~106.75%、r- Pcooling.max:52.73%~ 146.66%、r- Timean:100.00%~162.50%、r-Tiamp:78.52%~102.06%和r-Hflow:97.06%~117.38%.該值在3類構造中偏幅不同,其大小與構造自身受含濕量影響程度有關,除r-Pcooling.max外,H類構造偏幅最大,如圖7所示.
對Glaser0/50/75 3組計算結果進行差異性分析,表明由含濕量提高引起的導熱系數的增大,使計算所得P值和Hflow值增大.值得一提的是對于作為常規建筑熱工計算的主要指標P值,除H類構造的個別案例,HM0模型組模擬結果普遍落在Glaser50和Glaser75模型組所得結果之間,這意味著采用室內和室外空氣平均相對濕度對應的材料導熱系數作簡化計算,對P值估算有較好的參考價值.
3.2.3? ?蒸汽滲透阻力因子變物性取值對模擬結果的影響
以HM0模型組為基準,將年加濕&除濕量H值及其峰值、年室內空氣平均相對濕度及其峰值和外墻年濕流量的Glaser/HM0比值r-H、r-Hhumid.max、r-Hdehumid.max、r-RHimean、r-RHiamp和r-Mflow作為指標,有r-H:59.79%~121.91%、r-Hhumid.max:24.61%~199.37%、r-Hdehumid.max:0.00%~115.78%、r-RHimean:92.78%~100.45%、r-RHiamp:76.86%~115.70%和r-Mflow:81.72%~143.71%,如圖8所示.
對Glaser0/50/75 3組計算結果進行差異性分析,表明由含濕量提高引起的蒸汽滲透阻力的減小,使建筑構件年濕流量Mflow增大,其中Glaser75/ Glaser0的比值達到97.50%~139.58%;RHimean值主要取決于室外空氣相對濕度,受構件自身濕傳遞性質影響不明顯,Glaser50和Glaser75對Glaser0的RHimean比值在94.56%~100.60%;年加濕&除濕量H值除受建筑構件濕傳遞性質外,還受室內外濕負荷、建筑構件濕流方向等多因素綜合作用,因此蒸汽滲透系數的變物性取值并未對H值模擬結果產生明確影響.
與液態水引起的結果差異的對比顯示,在H類構造中,含濕量引起的導熱系數和蒸汽滲透系數變物性取值所帶來的模擬結果差異,大幅小于液態水的影響.然而在L和M類構造中,相應的差異則不可忽略.
3.3? ?長周期動態的濕過程評估方法
Glaser模型對建筑圍護結構濕性能采用的是穩態的評估方法,即假設建筑構件內外表面具有一定的蒸汽壓差驅動通過建筑構件的穩定蒸汽流.在HM的全年模擬中,受外部氣候條件、內部熱濕負荷、HVAC條件等因素影響,全年動態模擬顯現出和建筑構件穩態評估不同的結果.建筑構件層面穩態評估的各項指標不能直接、準確地反映全年HVAC需求、室內濕環境和建筑構件濕性能.相比于熱過程,濕過程模擬結果與外部、內部、邊界條件之間相關性更弱,因而更加難以進行預判,因此對建筑圍護結構模擬實際使用條件、長周期、動態的評估具有必要性.
4? ?結 論
目前我國建筑圍護結構研究偏重單純的熱過程,濕過程僅基于Glaser模型進行簡單評估,本文對北美典型氣候區15組外墻構件進行HM模擬,明確氣候參數、材料參數對模擬結果的影響,以及HM模型和Glaser模型之間的差異.模擬和分析結果對我國建筑圍護結構相關的氣候參數、材料參數和評估方法的研究具有參考意義.
1)氣候參數的影響.相關性分析表明環境相對濕度和降雨因素對室內熱濕環境和建筑熱濕性能有顯著影響,未考慮風驅雨參數的模擬會造成對構造含濕量、年能耗量和構造熱濕流量的低估,對于主體層外露的構造類型,液態水影響大幅高于氣態水.
2)材料參數的影響.由構造層含濕量引起的導熱系數變物性取值對年能耗量、室內熱環境和建筑構件熱流量有顯著影響;蒸汽滲透阻力因子變物性取值明顯影響構件濕傳遞,但對室內濕環境和年加濕&除濕量的影響不明確.
3)受氣候條件、構造類型等因素影響,全年動態模擬顯現出和建筑構件穩態評估不同的結果,對建筑圍護結構模擬實際使用條件下長周期、動態的評估具有必要性.
致謝? ?Fraunhofer IBP(德國費勞恩霍夫建筑物理研究所)為本研究提供WUFI Plus計算機程序使用權; Matthias Pazold先生、Manuel Lindauer博士和Simon Schmidt博士為模擬方案和軟件使用提供建議與技術支持.在此鳴謝.
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