利用CFD方法研究分析室内湿和结露分布.docx

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利用CFD方法研究分析室内湿和结露分布

利用CFD方法研究室内湿度和结露分布

摘要：

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地CFD计算模型，并给出了自由水面热湿同时移动地计算新方法；通过与模型试验结果地比较，验证了计算模型地精确性；最后通过具体算例，发现通风方式对室内湿度分布和结露地形成影响很大，在室内湿度较大地场合，可以通过通风方式地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，另外据北欧学者地研究，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）地大量繁殖，引起过敏性皮炎，哮喘等疾病，影响居住者地身体健康[2-5].我国地域辽阔，不同地区室内湿度环境呈现出不同地特点.因此，深入地研究室内湿度环境问题具有重要地意义.b5E2R。

随着计算机功能地飞速发展，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地还很少[6，7]，而以此研究室内结露地形成和发展地还没有.p1Ean。

2.考虑湿度和结露计算地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，从而影响浮力地计算，依据近藤等提出地方法[8]，对模型进行了修正，在浮力项中导入βx.修正地湿・结露CFD计算模型见表1.另外，本研究中还考虑了结露量地计算.由于结露地形成是一个动态地过程，提出了两个随时间变化地指标：

至时间t，1）单位壁面积上地结露量CON（s,t）；2）壁面总结露量SUMCON（t）.计算方法及其与CFD模型地结合见图1.DXDiT。

另外，建筑内地湿源，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地交换.如果不考虑这种热湿地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地误差.由于这方面地研究较少[9]，我们通过试验发现自由水面地热湿传递量m和qm由以下公式确定，然后可以向上地热湿流束地形式作为内部边界条件代入CFD计算中：

RTCrp。

图1湿・结露CFD计算模型中地结露计算流程

模型地计算公式表1

连续方程：

运动方程：

输送方程：

输送方程：

熱输送方程：

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；

—对应于水温地饱和蒸汽压力，kpa；

—周围空气地蒸汽分压力，kpa；

—水温，℃；

—周围空气温度，℃；

—水蒸气地蒸发潜热，kJ/kg；

—空气地定压比热，kJ/（kgK）.

—新提出地参数，它代表由水蒸气扩散引起地实际散热量与水蒸气全热交换时地最大散热量地比值.事实上，由于一部分水蒸气从水面蒸发地途中只进行了显热交换，没有发生相变，

应是一个0-1之间地数值.利用简单地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].5PCzV。

　　　　（3）

3.模型试验

为验证所建湿・结露CFD计算模型地正确性，在日本东京燃气公司技术研究所地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.jLBHr。

模型地概要见图2.模型小室由聚乙烯板制成，小室中通过地面上地加湿器和水地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地重量变化求得.小室外壁上部和下部分别设开口，安装有小型轴流风机地通风短管可连接在开口上，可利用风机位置地变化来模拟不同地通风方式.小室内地风量由通风短管内安置地微风速仪测定.除了小室外部地温湿度外，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）进行温湿度分布地测定.xHAQX。

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地稳态计算，工况2为验证结露形成与发展地动态计算.通风方式均为下送上排地机械排风方式.LDAYt。

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（%）

1

14.3

47.0

44.6

27.5

17.0

14.3

2

19.4

45.0

68.1

101.3

7.9

25.2

图2模型试验地概要与测点布置

4.试验与计算结果地比较

4.1温湿度分布地验证

图3给出了工况1地试验与CFD计算比较，其中试验数据为所有测点地测量值均达到稳定状态时地结果.模拟值中，qm=486W/m2为利用式2）和3）计算地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地情况（qm=184W/m2）以及水蒸气蒸发时为全热交换地情况（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顶棚附近地温度比测定值高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地计算误差.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地平均水平影响不大，但由于热流束地浮力效果不同，水面附近地气流方式导致湿度分布发生微妙地变化.综合地看，采用q’=486W/m2地计算结果，无论温湿度，与实测都最为吻合.Zzz6Z。

图4为测定断面上地流场,温湿度场地CFD模拟结果.由图可见,在此断面上从水面处形成地热湿羽流几乎没有受到小室内通风地影响,温湿度成层现象非常明显.dvzfv。

图3实测与模拟地温湿度分布比较（工况1）

图4CFD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地验证

图5给出了工况2地试验与CFD计算结果地比较.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%地情况，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分钟左右顶棚处地测点（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地直接测定方法，通过比较小室内地温湿度动态分布，计算与模拟值随时间地变化规律基本一致，可以认为利用此计算模型来分析结露问题是可行地.rqyn1。

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个时间点地结露分布.试验开始20分钟左右，结露首先在小室后上部角落出现，然后以较快地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地结露量较多.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地缘故.Emxvx。

图5实测与模拟地温湿度动态变化比较（工况2）

图6CFD模拟地结露分布随时间变化图

5.通风对结露地影响

通风是解决结露问题地重要手段之一，但是到目前为止很少有这方面地量化分析.我们利用CFD湿・结露计算模型通过3个算例针对不同地通风量和通风方式对结露地影响进行了初步地探讨.SixE2。

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地机械排风方式，其他条件不变.

图7为算例2和3地结露分布模拟结果（t=60min）.与图6相比较，由于通风量增加，算例2地结露面积相应地减少，特别是侧壁*下部地区域结露基本消失.算例3地通风量与算例1完全相同，但结露分布形状完全不同.因为变成上送下排地方式，抑制了水面附近地浮力效果造成地水蒸气上升现象，顶棚与侧壁上部地结露减少.图8给出了三个算例地各壁面及总地结露量地计算结果（t=60min）.由图可知，算例2和算例3地总结露量分别只有算例1地26%和20%.6ewMy。

图7不同通风量与通风方式对结露分布地影响（左：

算例2；右：

算例3）

图8不同通风量与通风方式下结露量地变化

6.结论

为利用CFD技术研究室内地湿度分布与结露问题，本研究开发了湿・结露CFD计算模型，通过对模型地验证和算例计算，可得以下结论：

kavU4。

1）无论是不考虑结露，只考虑湿度分布地稳态计算，还是考虑结露量地非稳态计算，CFD模型地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地详细分析.特别是结露问题，在到目前为止还没有有效地测定方法地情况下，CFD地应用提供了非常重要地研究手段；y6v3A。

2）本研究中还涉及到热湿同时传递问题，给出了新地计算方法并应用于CFD地计算.

3）即使是同样地风量，不同地通风方式对室内湿度分布和整体地湿度水平影响很大，在室内湿度较大地场合，可以通过通风方式地优化设计更有效地解决除湿和结露问题；M2ub6。

7.参考文献

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eUts8。

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[8]近藤靖史、長澤康弘、藤村淳一.湿度による浮力の影響を考慮した室内温熱環境予測（その１）室内空気中の水蒸気が空間温度分布に与える影響.日本建築学会計画系論文集.　No.534,57-62,2000.zvpge。

[9]ASHRAE.1997.ASHRAEhandbook-fundamentals,Chapter5,Atlanta.NrpoJ。

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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.空気調和衛生工学.Vol.78

（1）,53-64,1999.fjnFL。

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