利用CFD方法研究室內濕度和結露分布

利用CFD方法研究室內濕度和結露分布

摘要本文首先建立了在氣流場，溫度場之外，能夠分析室內濕度分布，結露分布，計算結露量動態(tài)形成過程的CFD計算模型，并給出了自由水面熱濕同時移動的計算新方法；通過與模型試驗結果的比較，驗證了計算模型的精確性；最后通過具體算例，發(fā)現(xiàn)通風方式對室內濕度分布和結露的形成影響很大，在室內濕度較大的場合，可以通過通風方式的優(yōu)化設計更有效地解決除濕和結露問題。

關鍵詞CFD模擬結露濕度通風

1.前言

濕度環(huán)境問題不同于其他室內污染問題，濕度過高或過低都將嚴重影響建筑物性能和居住者健康。濕度過低，人會產(chǎn)生干燥等不適感，引起墻體裂縫，木制板材變形，另外據(jù)北歐學者的研究，流感病菌在低濕度下生存率明顯增加；而濕度過高，一方面造成墻體表面及內部結露，降低墻體斷熱和耐久性，影響建筑物壽命[1]，另一方面，當濕度超過70%時，會帶來霉菌的大量繁殖，引起過敏性皮炎，哮喘等疾病，影響居住者的身體健康[2-5]。我國地域遼闊，不同地區(qū)室內濕度環(huán)境呈現(xiàn)出不同的特點。因此，深入地研究室內濕度環(huán)境問題具有重要的意義。

隨著計算機功能的飛速發(fā)展，CFD仿真技術在建筑環(huán)境領域，如室內溫度場分布，換氣效率，人體周邊微環(huán)境等研究中日益得到應用。但是到目前為止，國內外利用CFD技術分析研究室內濕度分布規(guī)律的還很少[6，7]，而以此研究室內結露的形成和發(fā)展的還沒有。

2.考慮濕度和結露計算的CFD修正模型

本研究中采用標準k-ε紊流模型。但考慮到水蒸氣含量較大時空氣密度會出現(xiàn)變化，從而影響浮力的計算，依據(jù)近藤等提出的方法，對模型進行了修正，在浮力項中導入βx。修正的濕?結露CFD計算模型見表1。另外，本研究中還考慮了結露量的計算。由于結露的形成是一個動態(tài)的過程，提出了兩個隨時間變化的指標：至時間t，1）單位壁面積上的結露量CON(s,t)；2)壁面總結露量SUMCON(t)。計算方法及其與CFD模型的結合見圖1。

另外，建筑內的濕源，如浴室和廚房等，由于自由水面面積較大，水溫一般高于周圍空氣溫度較多，水蒸氣分子在擴散過程中還同時伴隨有熱的交換。如果不考慮這種熱濕的同時傳遞將會給室內溫濕度分布和氣流計算結果帶來較大的誤差。由于這方面的研究較少，我們通過試驗發(fā)現(xiàn)自由水面的熱濕傳遞量m和qm由以下公式確定，然后可以向上的熱濕流束的形式作為內部邊界條件代入CFD計算中

圖1濕?結露CFD計算模型中的結露計算流程模型的計算公式表1

連續(xù)方程：

運動方程：

輸送方程：

輸送方程：

熱輸送方程：

水蒸氣輸送方程：

式中：

渦粘性系數(shù)等相關項：

式中—室內換氣次數(shù)，h-1；

—對應于水溫的飽和蒸汽壓力，kpa；

—周圍空氣的蒸汽分壓力，kpa；

—水溫，℃；

—周圍空氣溫度，℃；

—水蒸氣的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；

—空氣的定壓比熱，kJ/(kgK)。

—新提出的參數(shù)，它代表由水蒸氣擴散引起的實際散熱量與水蒸氣全熱交換時的最大散熱量的比值。事實上，由于一部分水蒸氣從水面蒸發(fā)的途中只進行了顯熱交換，沒有發(fā)生相變，應是一個0-1之間的數(shù)值。利用簡單的公式推導和試驗擬合，它可以整理成下式。具體內容可參考文獻[10]。

3.模型試驗

為驗證所建濕?結露CFD計算模型的正確性，在日本東京燃氣公司技術研究所的人工氣象室建立了模型小室，進行了模型試驗，并比較了模擬結果與實驗數(shù)據(jù)。

模型的概要見圖2。模型小室由聚乙烯板制成，小室中通過地面上的加濕器和水的溫控來調節(jié)和模擬各種加濕工況，加濕量由電子天平測量加濕器的重量變化求得。小室外壁上部和下部分別設開口，安裝有小型軸流風機的通風短管可連接在開口上，可利用風機位置的變化來模擬不同的通風方式。小室內的風量由通風短管內安置的微風速儀測定。除了小室外部的溫濕度外，在小室中心斷面上布置了14個溫濕度測定元件進行溫濕度分布的測定。

試驗與模擬工況見表2。其中工況1為驗證室內溫濕度分布的穩(wěn)態(tài)計算，工況2為驗證結露形成與發(fā)展的動態(tài)計算。通風方式均為下送上排的機械排風方式。試驗工況表2

工況編號

氣象室條件

加濕器水溫

加濕量

通風量

進風溫度

溫度

濕度

1

2

圖2模型試驗的概要與測點布置

4.試驗與計算結果的比較

溫濕度分布的驗證

圖3給出了工況1的試驗與CFD計算比較，其中試驗數(shù)據(jù)為所有測點的測量值均達到穩(wěn)定狀態(tài)時的結果。模擬值中，qm=486W/m2為利用式2）和3）計算的實際水蒸氣擴散散熱量，。為了對比，我們又假設了水蒸氣蒸發(fā)時都保持氣相，沒有發(fā)生相變化，擴散散熱全部由顯熱交換構成的情況以及水蒸氣蒸發(fā)時為全熱交換的情況。由圖可知，水蒸氣擴散散熱量對室內溫度分布影響很大，如采用qm=1026W/m2頂棚附近的溫度比測定值高2度左右。某些研究[11]在計算浴室熱濕負荷時，主張以全熱交換來概算水蒸氣擴散散熱量勢必造成很大的計算誤差。相比之下，因為小室內濕度主要由水蒸氣質量平衡決定，擴散散熱值對小室內濕度的平均水平影響不大，但由于熱流束的浮力效果不同，水面附近的氣流方式導致濕度分布發(fā)生微妙的變化。綜合地看，采用q’=486W/m2的計算結果，無論溫濕度，與實測都最為吻合。

圖4為測定斷面上的流場,溫濕度場的CFD模擬結果.由圖可見,在此斷面上從水面處形成的熱濕羽流幾乎沒有受到小室內通風的影響,溫濕度成層現(xiàn)象非常明顯。

圖3實測與模擬的溫濕度分布比較

圖4CFD計算結果

結露形成與發(fā)展過程的驗證

圖5給出了工況2的試驗與CFD計算結果的比較。試驗和模擬時間均為30分鐘左右。為了更好地形成表面結露并防止出現(xiàn)小室內空氣濕度達到100%的情況，本試驗工況進行時，進口處通過預加熱裝置對進風加熱至度。由圖可見，實測和模擬都顯示經(jīng)過20分鐘左右頂棚處的測點濕度達到飽和，表明出現(xiàn)了結露。這說明雖然到目前為止結露問題還沒有好的直接測定方法，通過比較小室內的溫濕度動態(tài)分布，計算與模擬值隨時間的變化規(guī)律基本一致，可以認為利用此計算模型來分析結露問題是可行的。

我們針對工況2，利用濕?結露CFD計算模型對結露進行了動態(tài)模擬，模擬時間為1小時。圖6給出了4個時間點的結露分布。試驗開始20分鐘左右，結露首先在小室后上部角落出現(xiàn)，然后以較快的速度沿頂棚和側壁發(fā)展，在45分鐘以后結露面積基本達到穩(wěn)定，但結露量繼續(xù)增加。從結露量上看，小室后部兩個側壁和頂棚的結露量較多。這是因為前部側壁和地面離進風口較近，熱風使這些壁面溫度升高的緣故。

圖5實測與模擬的溫濕度動態(tài)變化比較

圖6CFD模擬的結露分布隨時間變化圖

5.通風對結露的影響

通風是解決結露問題的重要手段之一，但是到目前為止很少有這方面的量化分析。我們利用CFD濕?結露計算模型通過3個算例針對不同的通風量和通風方式對結露的影響進行了初步的探討。

算例1：即工況2；

算例2：通風量由增至/h，其他條件不變；

算例3：通風方式改為上送下排的機械排風方式，其他條件不變。

圖7為算例2和3的結露分布模擬結果(t=60min)。與圖6相比較，由于通風量增加，算例2的結露面積相應地減少，特別是側壁靠下部的區(qū)域結露基本消失。算例3的通風量與算例1完全相同，但結露分布形狀完全不同。因為變成上送下排的方式，抑制了水面附近的浮力效果造成的水蒸氣上升現(xiàn)象，頂棚與側壁上部的結露減少。圖8給出了三個算例的各壁面及總的結露量的計算結果(t=60min)。由圖可知，算例2和算例3的總結露量分別只有算例1的26%和20%。

圖7不同通風量與通風方式對結露分布的影響

圖8不同通風量與通風方式下結露量的變化

6.結論

為利用CFD技術研究室內的濕度分布與結露問題，本研究開發(fā)了濕?結露CFD計算模型，通過對模型的驗證和算例計算，可得以下結論

1）無論是不考慮結露，只考慮濕度分布的穩(wěn)態(tài)計算，還是考慮結露量的非穩(wěn)態(tài)計算，CFD模型的計算結果都與試驗結果較為吻合。這說明可以利用此模型進行室內濕度場和結露的詳細分析。特別是結露問題，在到目前為止還沒有有效的測定方法的情況下，CFD的應用提供了非常重要的研究手段；

2）本研究中還涉及到熱濕同時傳遞問題，給出了新的計算方法并應用于CFD的計算。

3）即使是同樣的風量，不同的通風方式對室內濕度分布和整體的濕度水平影響很大，在室內濕度較大的場合，可以通過通風方式的優(yōu)化設計更有效地解決除濕和結露問題；

7.參考文獻

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