【摘要】：夏熱冬冷地區(qū)氣候變化劇烈,建筑墻體長期暴露在高溫高濕的氣候環(huán)境下,墻體內(nèi)的熱、空氣、濕傳遞對墻體的熱工性能、建筑能耗、室內(nèi)熱濕環(huán)境以及室內(nèi)空氣品質(zhì)均有重要的影響。故本文以最新的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論為基礎(chǔ),對我國夏熱冬冷地區(qū)建筑墻體內(nèi)的熱、空氣、濕耦合遷移特性從數(shù)學模型的建立、求解、驗證以及模型應用等方面進行了全面、系統(tǒng)的研究。首先,考慮熱傳遞、空氣滲透、濕傳遞以及它們之間的相互耦合作用,建立了建筑墻體熱、空氣、濕耦合傳遞模型。模型以相對濕度作為濕驅(qū)動勢,避免了各墻體部件在交界面處以及墻體表面與空氣邊界處含濕量不連續(xù)的問題,從而使得墻體表面的吸放濕過程與墻體內(nèi)部的熱濕遷移過程有機結(jié)合,簡化了分析過程。其次,應用基于有限元方法的多物理場耦合模擬仿真軟件COMSOL Multiphysics對建筑墻體熱、空氣、濕耦合傳遞模型進行求解。用泊松方程模型獨立求解空氣流動方程,獲得墻體內(nèi)的空氣壓力分布,進而計算通過建筑墻體孔隙內(nèi)的空氣流量,然后將其作為熱濕方程的輸入?yún)?shù),采用系數(shù)形式的偏微分方程模型對熱濕控制方程及對應邊界條件同時進行求解,從而獲得墻體內(nèi)的熱濕分布。再次,搭建了墻體熱濕耦合傳遞實驗測試平臺,測試了長沙地區(qū)實際氣候條件下加氣混凝土墻體內(nèi)的溫濕度分布情況,為驗證墻體熱濕耦合模型提供了實測數(shù)據(jù)。然后,將新建模型模擬結(jié)果與EN15026驗證實例、HAMSTAD驗證實例和實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了新建模型的正確性。對比結(jié)果表明:新建模型模擬結(jié)果與EN15026驗證實例和HAMSTAD驗證實例高度吻合;新建模型預測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,室內(nèi)側(cè)分界面處空氣相對濕度的平均偏差為4.7%,溫度的平均偏差為0.4℃,室外側(cè)分界面處空氣相對濕度的平均偏差為3.7%,溫度的平均偏差為0.93℃。最后,基于本文所建熱、空氣、濕耦合模型,分析了我國夏熱冬冷地區(qū)建筑墻體內(nèi)濕傳遞對墻體熱工性能及建筑能耗的影響;優(yōu)化了該地區(qū)外墻保溫層厚度,并分析了墻體內(nèi)濕傳遞對優(yōu)化結(jié)果的影響;提出了墻體內(nèi)霉菌生長控制策略及霉菌生長風險評估指標。根據(jù)空調(diào)度日數(shù)(CDD26)和采暖度日數(shù)(HDD18)將夏熱冬冷地區(qū)分為四個子氣候區(qū)域,并在每一子氣候區(qū)域選取一個典型城市作為研究城市。以典型城市成都、上海、長沙和韶關(guān)為例,選取我國夏熱冬冷地區(qū)居住建筑常用磚墻(水泥砂漿-紅磚-石灰水泥砂漿)為研究對象,分析了該地區(qū)建筑墻體內(nèi)濕傳遞對墻體熱工性能及建筑能耗的影響,結(jié)果表明該地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)濕傳遞對建筑熱性能和能耗性能有顯著的影響。具體分析結(jié)果如下:(1)當忽略濕傳遞時,夏季和冬季的峰值負荷分別被高估了2.1~3.9%和4.2~10.1%;(2)忽略濕傳遞情況下,制冷季總的顯熱負荷被高估了5.1~37.1%;(3)制冷季總的潛熱負荷占全熱負荷的14.3~52.2%,全年潛熱負荷占全年全熱負荷的4.9~6.6%;(4)當忽略濕傳遞時,制冷季、供暖季和全年全熱負荷分別被低估了9.9~34.4%、1.6~4.0%和4.4~6.8%。考慮墻體內(nèi)濕傳遞對采暖空調(diào)能耗費用的影響,根據(jù)壽命周期經(jīng)濟性分析,優(yōu)化了夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫層厚度,并分析了墻體內(nèi)濕傳遞對優(yōu)化結(jié)果的影響。以典型城市成都、上海、長沙和韶關(guān)為例,以該地區(qū)居住建筑中常用的磚墻為研究對象,對常用保溫材料EPS板的厚度進行了優(yōu)化。具體結(jié)果如下:(1)EPS保溫外墻的最小壽命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值為103.10~120.87元/m2,而其最大壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值為43.12~113.74元/m2;(2)EPS保溫板的最佳厚度為0.086~0.115m;(3)當不考慮墻體內(nèi)濕傳遞影響時,最小壽命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值LCTop、最大壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值LCSop和最佳保溫層厚度xop分別被低估了5.18~8.84%、23.19~34.49%和4.35~6.98%。為了控制墻體內(nèi)霉菌滋生,提出了墻體內(nèi)霉菌生長控制策略以及霉菌生長風險評估指標,并以成都、上海、長沙和韶關(guān)為例,對居住建筑中常用磚墻內(nèi)的霉菌生長風險評估指標進行了預測,結(jié)果表明長沙地區(qū)墻體各層材料交界面處霉菌生長風險最大,其次依次是成都、上海和韶關(guān)。
【圖文】：

夏熱冬冷地區(qū)建筑墻體熱、空氣、濕耦合遷移特性研究平衡含濕量是濕狀態(tài)變量(相對濕度)的函數(shù)。：緊接著吸濕區(qū)直到材料含濕量達到毛細飽和。在毛細區(qū)內(nèi)，加，材料的平衡含濕量是濕狀態(tài)變量(毛細壓力)的函數(shù)。區(qū)：緊接著毛細區(qū)直到材料含濕量達到最大飽和。在過飽和區(qū)為 100%，毛細壓力為零，材料的含濕量與濕狀態(tài)變量之間不條件下，建筑墻體內(nèi)的含濕量幾乎不能到達過飽和區(qū)，因此，不考慮過飽和區(qū)。本文所說的“蓄濕曲線”為建筑材料在吸濕儲特性曲線。最大飽和

圖 3.1 COMSOL Multiphysics 的界面3.3 模型的求解建筑墻體熱、空氣、濕耦合傳遞模型的控制方程包含濕控制方程(2.23)、熱控制方程(2.35)和空氣流動方程(2.39)�？諝饬鲃臃匠痰那蠼庀鄬Ρ容^容易，可以用COMSOL Multiphysics 內(nèi)的泊松方程模型獨立求解得到墻體內(nèi)的壓力分布，，從而計算出通過墻體孔隙內(nèi)的空氣流量并將其作為熱控制方程與濕控制方程的輸入?yún)?shù)；而濕控制方程與熱控制方程高度耦合，需要用 COMSOL Multiphysics 內(nèi)系數(shù)形式的偏微分方程模型同時進行求解。3.3.1 COMSOL Multiphysics 內(nèi)的泊松方程模型 c u fu r 控制方程邊界條件(3.1第一個方程為泊松方程，第二個方程為狄氏邊界條件。u 為因變量，c 為擴散
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU111.4

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本文編號：2558401