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⑴ 利用CFD方法研究室內濕度和結露分布

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，計算結露量動態形成過程的CFD計算模型，並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；最後通過具體算例，發現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
濕度環境問題不同於其他室內污染問題，濕度過高或過低都將嚴重影響建築物性能和居住者健康。濕度過低，人會產生乾燥等不適感，引起牆體裂縫，木製板材變形，另外據北歐學者的研究，流感病菌在低濕度下生存率明顯增加；而濕度過高，一方面造成牆體表面及內部結露，降低牆體斷熱和耐久性，影響建築物壽命[1]，另一方面，當濕度超過70%時，會帶來黴菌（Fungi）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，不同地區室內濕度環境呈現出不同的特點。因此，深入地研究室內濕度環境問題具有重要的意義。
隨著計算機功能的飛速發展，CFD模擬技術在建築環境領域，如室內溫度場分布，換氣效率，人體周邊微環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律的還很少[6，7]，而以此研究室內結露的形成和發展的還沒有。
2.考慮濕度和結露計算的CFD修正模型
本研究中採用標准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變化，從而影響浮力的計算，依據近藤等提出的方法[8]，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。由於結露的形成是一個動態的過程，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，建築內的濕源，如浴室和廚房等，由於自由水面面積較大，水溫一般高於周圍空氣溫度較多，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。由於這方面的研究較少[9]，我們通過試驗發現自由水面的熱濕傳遞量m和qm由以下公式確定，然後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：
渦粘性系數等相關項：
（1）
（2）
式中 —室內換氣次數，h-1；
—對應於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，℃；
—水蒸氣的蒸發潛熱，kJ/kg；
—空氣的定壓比熱，kJ/(kgK)。
—新提出的參數，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，由於一部分水蒸氣從水面蒸發的途中只進行了顯熱交換，沒有發生相變，應是一個0-1之間的數值。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）
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，並比較了模擬結果與實驗數據。
模型的概要見圖2。模型小室由聚乙烯板製成，小室中通過地面上的加濕器和水的溫控來調節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（THP-B4，日本神榮公司）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態計算，工況2為驗證結露形成與發展的動態計算。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
（g/h）
通風量
（m3/h）
進風溫度
溫度（℃）濕度（%）114.347.044.627.517.014.3219.445.068.1101.37.925.2
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
4.1 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，其中試驗數據為所有測點的測量值均達到穩定狀態時的結果。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，（此時Fm約為0.52）。為了對比，我們又假設了水蒸氣蒸發時都保持氣相，沒有發生相變化，擴散散熱全部由顯熱交換構成的情況（qm=184W/m2）以及水蒸氣蒸發時為全熱交換的情況（q』=1026W/m2）。由圖可知，水蒸氣擴散散熱量對室內溫度分布影響很大，如採用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，但由於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生微妙的變化。綜合地看，採用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,溫濕度成層現象非常明顯。
圖3 實測與模擬的溫濕度分布比較（工況1）
圖4 CFD計算結果（左：氣流場；中：溫度場；右：濕度場）
4.2 結露形成與發展過程的驗證
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分鍾左右。為了更好地形成表面結露並防止出現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25.2度。由圖可見，實測和模擬都顯示經過20分鍾左右頂棚處的測點（P1-7和P2-7）濕度達到飽和，表明出現了結露。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分布，計算與模擬值隨時間的變化規律基本一致，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分鍾左右，結露首先在小室後上部角落出現，然後以較快的速度沿頂棚和側壁發展，在45分鍾以後結露面積基本達到穩定，但結露量繼續增加。從結露量上看，小室後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變化比較（工況2）
圖6 CFD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7.9增至9.4m3/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，由於通風量增加，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（左：算例2；右：算例3）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態計算，還是考慮結露量的非穩態計算，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並應用於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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[11] 赤井仁志、鎌田元康、小川正晃.大型浴槽からの損失熱量.空気調和衛生工學.Vol.78(1), 53-64,1999.
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