利用CFD方法研究室内湿度和结露分布？

~ 本文首先建立了在气流场，温度场之外，能够分析室内湿度分布，结露分布，计算结露量动态形成过程的CFD计算模型，并给出了自由水面热湿同时移动的计算新方法；通过与模型试验结果的比较，验证了计算模型的精确性；最后通过具体算例，发现通风方式对室内湿度分布和结露的形成影响很大，在室内湿度较大的场合，可以通过通风方式的优化设计更有效地解决除湿和结露问题。
关键词：CFD模拟 结露 湿度 通风
1.前言
湿度环境问题不同于其他室内污染问题，湿度过高或过低都将严重影响建筑物性能和居住者健康。湿度过低，人会产生干燥等不适感，引起墙体裂缝，木制板材变形，另外据北欧学者的研究，流感病菌在低湿度下生存率明显增加；而湿度过高，一方面造成墙体表面及内部结露，降低墙体断热和耐久性，影响建筑物寿命[1]，另一方面，当湿度超过70%时，会带来霉菌（Fungi）的大量繁殖，引起过敏性皮炎，哮喘等疾病，影响居住者的身体健康[2-5]。我国地域辽阔，不同地区室内湿度环境呈现出不同的特点。因此，深入地研究室内湿度环境问题具有重要的意义。
随着计算机功能的飞速发展，CFD仿真技术在建筑环境领域，如室内温度场分布，换气效率，人体周边微环境等研究中日益得到应用。但是到目前为止，国内外利用CFD技术分析研究室内湿度分布规律的还很少[6，7]，而以此研究室内结露的形成和发展的还没有。
2.考虑湿度和结露计算的CFD修正模型
本研究中采用标准k-ε紊流模型。但考虑到水蒸气含量较大时空气密度会出现变化，从而影响浮力的计算，依据近藤等提出的方法[8]，对模型进行了修正，在浮力项中导入βx。修正的湿・结露CFD计算模型见表1。另外，本研究中还考虑了结露量的计算。由于结露的形成是一个动态的过程，提出了两个随时间变化的指标：至时间t，1）单位壁面积上的结露量CON(s,t)；2)壁面总结露量SUMCON(t)。计算方法及其与CFD模型的结合见图1。
另外，建筑内的湿源，如浴室和厨房等，由于自由水面面积较大，水温一般高于周围空气温度较多，水蒸气分子在扩散过程中还同时伴随有热的交换。如果不考虑这种热湿的同时传递将会给室内温湿度分布和气流计算结果带来较大的误差。由于这方面的研究较少[9]，我们通过试验发现自由水面的热湿传递量m和qm由以下公式确定，然后可以向上的热湿流束的形式作为内部边界条件代入CFD计算中：
图1 湿・结露CFD计算模型中的结露计算流程
模型的计算公式 表1 连续方程：
运动方程：
输送方程：
输送方程：
热输送方程：
水蒸气输送方程：
式中：
涡粘性系数等相关项：
（1）
（2）
式中 —室内换气次数，h-1；
—对应于水温的饱和蒸汽压力，kpa；
—周围空气的蒸汽分压力，kpa；
—水温，℃；
—周围空气温度，℃；
—水蒸气的蒸发潜热，kJ/kg；
—空气的定压比热，kJ/(kgK)。
—新提出的参数，它代表由水蒸气扩散引起的实际散热量与水蒸气全热交换时的最大散热量的比值。事实上，由于一部分水蒸气从水面蒸发的途中只进行了显热交换，没有发生相变，应是一个0-1之间的数值。利用简单的公式推导和试验拟合，它可以整理成下式。具体内容可参考文献[10]。
（3）
3.模型试验
为验证所建湿・结露CFD计算模型的正确性，在日本东京燃气公司技术研究所的人工气象室建立了模型小室，进行了模型试验，并比较了模拟结果与实验数据。
模型的概要见图2。模型小室由聚乙烯板制成，小室中通过地面上的加湿器和水的温控来调节和模拟各种加湿工况，加湿量由电子天平测量加湿器的重量变化求得。小室外壁上部和下部分别设开口，安装有小型轴流风机的通风短管可连接在开口上，可利用风机位置的变化来模拟不同的通风方式。小室内的风量由通风短管内安置的微风速仪测定。除了小室外部的温湿度外，在小室中心断面上布置了14个温湿度测定元件（THP-B4，日本神荣公司）进行温湿度分布的测定。
试验与模拟工况见表2。其中工况1为验证室内温湿度分布的稳态计算，工况2为验证结露形成与发展的动态计算。通风方式均为下送上排的机械排风方式。
试验工况 表2
工况编号
气象室条件
加湿器水温
（℃）
加湿量
（g/h）
通风量
（m3/h）
进风温度
温度（℃）湿度（%）114.347.044.627.517.014.3219.445.068.1101.37.925.2
图2 模型试验的概要与测点布置
4. 试验与计算结果的比较
4.1 温湿度分布的验证
图3给出了工况1的试验与CFD计算比较，其中试验数据为所有测点的测量值均达到稳定状态时的结果。模拟值中，qm=486W/m2为利用式2）和3）计算的实际水蒸气扩散散热量，（此时Fm约为0.52）。为了对比，我们又假设了水蒸气蒸发时都保持气相，没有发生相变化，扩散散热全部由显热交换构成的情况（qm=184W/m2）以及水蒸气蒸发时为全热交换的情况（q’=1026W/m2）。由图可知，水蒸气扩散散热量对室内温度分布影响很大，如采用qm=1026W/m2顶棚附近的温度比测定值高2度左右。某些研究[11]在计算浴室热湿负荷时，主张以全热交换来概算水蒸气扩散散热量势必造成很大的计算误差。相比之下，因为小室内湿度主要由水蒸气质量平衡决定，扩散散热值对小室内湿度的平均水平影响不大，但由于热流束的浮力效果不同，水面附近的气流方式导致湿度分布发生微妙的变化。综合地看，采用q’=486W/m2的计算结果，无论温湿度，与实测都最为吻合。
图4为测定断面上的流场,温湿度场的CFD模拟结果.由图可见,在此断面上从水面处形成的热湿羽流几乎没有受到小室内通风的影响,温湿度成层现象非常明显。
图3 实测与模拟的温湿度分布比较（工况1）
图4 CFD计算结果（左：气流场；中：温度场；右：湿度场）
4.2 结露形成与发展过程的验证
图5给出了工况2的试验与CFD计算结果的比较。试验和模拟时间均为30分钟左右。为了更好地形成表面结露并防止出现小室内空气湿度达到100%的情况，本试验工况进行时，进口处通过预加热装置对进风加热至25.2度。由图可见，实测和模拟都显示经过20分钟左右顶棚处的测点（P1-7和P2-7）湿度达到饱和，表明出现了结露。这说明虽然到目前为止结露问题还没有好的直接测定方法，通过比较小室内的温湿度动态分布，计算与模拟值随时间的变化规律基本一致，可以认为利用此计算模型来分析结露问题是可行的。
我们针对工况2，利用湿・结露CFD计算模型对结露进行了动态模拟，模拟时间为1小时。图6给出了4个时间点的结露分布。试验开始20分钟左右，结露首先在小室后上部角落出现，然后以较快的速度沿顶棚和侧壁发展，在45分钟以后结露面积基本达到稳定，但结露量继续增加。从结露量上看，小室后部两个侧壁和顶棚的结露量较多。这是因为前部侧壁和地面离进风口较近，热风使这些壁面温度升高的缘故。
图5 实测与模拟的温湿度动态变化比较（工况2）
图6 CFD模拟的结露分布随时间变化图
5.通风对结露的影响
通风是解决结露问题的重要手段之一，但是到目前为止很少有这方面的量化分析。我们利用CFD湿・结露计算模型通过3个算例针对不同的通风量和通风方式对结露的影响进行了初步的探讨。
算例1：即工况2；
算例2：通风量由7.9增至9.4m3/h，其他条件不变；
算例3：通风方式改为上送下排的机械排风方式，其他条件不变。
图7为算例2和3的结露分布模拟结果(t=60min)。与图6相比较，由于通风量增加，算例2的结露面积相应地减少，特别是侧壁靠下部的区域结露基本消失。算例3的通风量与算例1完全相同，但结露分布形状完全不同。因为变成上送下排的方式，抑制了水面附近的浮力效果造成的水蒸气上升现象，顶棚与侧壁上部的结露减少。图8给出了三个算例的各壁面及总的结露量的计算结果(t=60min)。由图可知，算例2和算例3的总结露量分别只有算例1的26%和20%。
图7 不同通风量与通风方式对结露分布的影响（左：算例2；右：算例3）图8 不同通风量与通风方式下结露量的变化
6.结论
为利用CFD技术研究室内的湿度分布与结露问题，本研究开发了湿・结露CFD计算模型，通过对模型的验证和算例计算，可得以下结论：
1） 无论是不考虑结露，只考虑湿度分布的稳态计算，还是考虑结露量的非稳态计算，CFD模型的计算结果都与试验结果较为吻合。这说明可以利用此模型进行室内湿度场和结露的详细分析。特别是结露问题，在到目前为止还没有有效的测定方法的情况下，CFD的应用提供了非常重要的研究手段；
2） 本研究中还涉及到热湿同时传递问题，给出了新的计算方法并应用于CFD的计算。
3） 即使是同样的风量，不同的通风方式对室内湿度分布和整体的湿度水平影响很大，在室内湿度较大的场合，可以通过通风方式的优化设计更有效地解决除湿和结露问题；
7.参考文献
[1] Straube JF. Moisture in buildings. ASHRAE Journal 2002; (1):15-9.
[2] Sterling EM, Arundel A, Sterling TD. Criteria for human exposure to humidity in occupied buildings. ASHRAE Transactions 1985;(91):
[3] Murray AB, Ferguson AC, Morrison BJ. Ensitizaiton to house dust mites in a North American cit y. Journal of Allergy and Clinical Immunology 1985;76(1):108-12.
[4] Bates JM, Rorek DA, Ballantye MH. Dust mite counts and mite allergens in family homes before and after dry extraction carpet cleaning, Proceedings of the 6th International Conference on Air Quality and Climate, 1993, Vol.3, p.33-8.
[5] Harving H, Korsgaard J, Dahl J, Beck HI, Bjerring P. House dust mites and atopic dermatitis. Annals of Allergy 1990;65:25-31.
[6] Chao NT, Wang WA, Chiang CM. Study of control strategy using outdoor air to reduce winter indoor humidity in Taiwanese apartments – demonstrated by ventilation design for a bathroom. ASHRAE Transactions. 1996; 102(1): 182-91.
[7] Kolokotroni M, Saiz N, Littler J. Moisture movement: A study using tracer gas techniques and CFD modeling. Building Services Engineering and Technology. 1992;13(2): 113-17.
[8] 近藤靖史、长泽康弘、藤村淳一.湿度による浮力の影响を考虑した室内温热环境予测（その1）室内空気中の水蒸気が空间温度分布に与える影响.日本建筑学会计画系论文集. No.534, 57-62, 2000.
[9] ASHRAE. 1997. ASHRAE handbook - fundamentals, Chapter 5, Atlanta.
[10] 相泽芳弘、吉野博.居室内の湿気挙动の解明に関する研究（その3）热・湿気同时発生时の温度差、温度、换気回数が湿気発生に与える影响と算定式の导出. 日本建筑学会大会学术讲演梗概集.p.407-408.1996.
[11] 赤井仁志、鎌田元康、小川正晃.大型浴槽からの损失热量.空気调和卫生工学.Vol.78(1), 53-64,1999.
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