用CFD方法研究室内湿度和露水分布？
关键词:CFD模拟露湿通风
1.介绍
湿度环境问题不同于其他室内污染问题。湿度过高或过低都会严重影响建筑物的性能和居民的健康。如果湿度太低，人会感觉不舒服，比如干燥，会造成墙体开裂，木板变形。另外，根据北欧学者的研究，在低湿度下，流感病菌的存活率会明显增加。但如果湿度过高，一方面会造成墙体表面和内部结露，降低墙体的隔热性和耐久性，影响建筑寿命[1]；另一方面，当湿度超过70%时，会带来大量真菌(真菌)滋生，引起过敏性皮炎、哮喘等疾病，影响居民健康[2-5]。我国幅员辽阔，不同地区的室内湿度环境呈现出不同的特点。因此，深入研究室内湿度环境具有重要意义。
随着计算机功能的快速发展，CFD模拟技术越来越多地应用于建筑环境领域，如室内温度分布、通风效率、人体周围微环境等。但到目前为止，国内外利用CFD技术对室内湿度分布的研究很少[6，7]，对室内结露的形成和发展也没有研究。
2.考虑湿度和凝结计算的CFD修正模型
本研究采用标准k-ε湍流模型。但考虑到水汽含量较高时空气密度会发生变化，影响浮力的计算，根据Kondo等人[8]提出的方法对模型进行了修正，在浮力项中引入了βx。改装湿？冷凝的CFD计算模型见表1。此外，本研究还考虑了冷凝量的计算。由于结露的形成是一个动态过程，提出了两个随时间变化的指标:单位壁面积结露量con (s，t)乘时间t，1)；2)对墙面上的露水求和，SUMCON(t)。计算方法及其与CFD模型的结合见图1。
另外，建筑中的湿气源，如卫生间、厨房等，自由表面积大，水温一般高于环境空气温度。水蒸气分子的扩散伴随着热交换。如果不同时考虑这种热湿传递，会给室内温湿度分布和气流计算结果带来很大误差。由于缺乏这方面的研究[9]，我们通过实验发现，自由水面的热湿传递量M和qm由以下公式确定，然后可以以热湿向上流动的形式作为内部边界条件代入CFD计算:
图1湿？CFD冷凝计算模型中冷凝的计算流程
模型表1连续方程的计算公式:
运动方程:
传输方程:
传输方程:
热传输方程:
水蒸气传输方程:
其中:
旋涡粘度系数和其他相关项目:
(1)
(2)
式中——室内换气次数，H-1；
—与水温相对应的饱和蒸汽压力，kpa；
——环境空气中蒸汽的分压，kpa；
——水温，℃;
——环境空气温度，℃;
——水蒸气的蒸发潜热，kj/kg；
——空气在恒定压力下的比热，kJ/(kgK)。
—一个新提出的参数，它代表了水蒸气扩散引起的实际散热量与水蒸气总热交换过程中最大散热量的比值。实际上，由于部分水汽在从水面出来的途中只进行了显热交换，没有发生相变，应该是0-1之间的一个值。利用简单的公式推导和实验拟合，可以整理成以下公式。详情请参考[10]。
(3)
3.模型试验
湿建验证？为了揭示CFD计算模型的正确性，在东京煤气公司技术研究所的人工气象室建立了模型室，进行了模型试验，并将模拟结果与实验数据进行了比较。
该模型的概述如图2所示。模型舱由聚乙烯板制成，通过地面加湿器和水的温度控制，在舱内调节和模拟各种加湿条件。通过用电子天平测量加湿器的重量变化来获得加湿量。小房间室外墙壁上下各有一个开口，开口处可以连接一个带小型轴流风扇的短通风管，通过改变风扇的位置可以模拟不同的通风模式。小房间的风量由安装在通风短管内的微型风速计测量。除了室外的温度和湿度，14温度和湿度测量元件(THP-B4，日本沈蓉公司)被布置在室的中心部分以测量温度和湿度分布。
测试和模拟条件见表2。工况1是室内温湿度分布的稳态计算，工况2是结露形成和发展的动态计算。通风方式都是下送上排的机械通风方式。
测试条件表2
工况号
气象室条件
加湿器水温
(℃)
湿度
(克/小时)
通风能力
(立方米/小时)
进气温度
温度(℃)和湿度(%)114 . 347 . 044 . 627 . 517.014.3219.445 . 068+06538+0008。
图2模型试验总结及测点布置
4.测试和计算结果的比较
4.1温湿度分布验证
图3显示了工况1的测试和CFD计算的对比，其中测试数据是所有测点的测量值达到稳定状态时的结果。在模拟值中，qm=486W/m2是由公式2)和公式3)计算出的实际水蒸气扩散散热量(此时Fm约为0.52)。为了比较，我们还假设蒸汽全部以气相蒸发，不存在相变，扩散和散热全部由显热交换组成(qm=184W/m2)蒸汽在总热交换中蒸发(q'=1026W/m2)。从图中可以看出，水蒸气扩散量和散热量对室内温度分布影响很大。例如，当采用qm=1026W/m2时，天花板附近的温度比测量值高2度左右。有研究[11]主张在计算浴室热湿负荷时用总换热量来估算水蒸气扩散的散热量，这必然会导致很大的计算误差。相比之下，由于室内湿度主要由水蒸气的质量平衡决定，扩散散热值对室内湿度的平均水平影响不大，但由于热流束的浮力效应不同，水面附近的空气流动方式导致湿度分布发生微妙变化。总的来说，q'=486W/m2的计算结果与实测数据最一致，不考虑温度和湿度。
图4显示了测量截面上的流场和温湿度场的CFD模拟结果。从图中可以看出，该断面上由水面形成的湿热羽流几乎不受小房间通风的影响，温湿度分层非常明显。
图3实测与模拟温湿度分布对比(工况1)
图4 CFD计算结果(左:气流场；介质:温度场；右图:湿度场)
4.2结露形成和发展过程的验证
图5示出了情况2的测试结果和CFD计算结果之间的比较。测试和模拟时间约为30分钟。为了更好地形成表面结露，防止室内空气湿度达到100%，本次测试中采用预热装置将进气加热至25.2度。从图中可以看出，实际测量和模拟都表明，天花板上的测量点(P1-7和P2-7)的湿度在大约20分钟后达到饱和，表明发生了结露。这说明，虽然到目前为止还没有很好的直接测量结露问题的方法，但是通过比较小房间内温湿度的动态分布，计算值和模拟值随时间的变化规律基本一致，可以认为利用该计算模型分析结露问题是可行的。
对于第二种情况，我们使用wet？采用CFD计算模型对结露进行动态模拟，模拟时间为1小时。图6示出了在四个时间点的露水分布。实验开始约20分钟后，凝结首先出现在舱室后面的上角，然后以更快的速度沿着天花板和侧墙发展。45分钟后，冷凝面积基本达到稳定，但冷凝量继续增加。从凝露量来看，腔室后部的两侧壁和天花板凝露较多。这是因为前侧壁和地面靠近进气口，热空气使这些壁的温度升高。
图5实测和模拟温湿度动态变化对比(工况二)
CFD模拟的凝结分布随时间的变化图。
5.通风对冷凝的影响
通风是解决结露问题的重要手段之一，但到目前为止这方面的定量分析还很少。我们用CFD去湿？结露计算模型通过三个实例讨论了不同通风量和通风方式对结露的影响。
例1:即工况二；
例2:通风量由7.9增加到9.4m3/h，其他条件不变；
例3:通风方式改为上送下排的机械通风方式，其他条件不变。
图7示出了实施例2和3中冷凝分布的模拟结果(t = 60分钟)。与图6相比，由于通风量的增加，实施例2的结露面积相应减少，特别是在侧壁的下部。例3的通风量与例1完全相同，但结露分布形状完全不同。由于采用了上送下排的方式，抑制了水面附近由于浮力作用引起的水汽上升现象，减少了天花板和侧墙上部的结露。图8示出了三个示例中每个壁和结露总量的计算结果(t = 60分钟)。从图中可以看出，例2和例3的总曝光量分别只有例1的26%和20%。
图7不同通风量和通风方式对冷凝分布的影响(左:例2；右图:例3)图8不同通风量和通风方式下的结露变化。
6.结论
为了利用CFD技术研究室内湿度分布和结露情况，本研究开发了湿式？冷凝CFD计算模型，通过模型的验证和实例的计算，可以得出以下结论:
1)无论是不考虑凝结，只考虑湿度分布的定常计算，还是考虑凝结的非定常计算，CFD模型的计算结果与实验结果吻合较好。这表明该模型可用于室内湿度场和结露的详细分析。特别是对于结露问题，在目前还没有有效的测量方法的情况下，CFD的应用提供了一个非常重要的研究手段。
2)本研究还涉及了热湿同时传递的问题，给出了一种新的计算方法并应用于CFD计算。
3)即使风量相同，不同的通风方式对室内湿度分布和整体湿度水平的影响也很大。在室内湿度较高的情况下，通过通风方式的优化设计，可以更有效地解决除湿和结露问题；
7.参考
斯特劳贝·JF。建筑物中的湿气。ASHRAE日报2002；(1):15-9.
[2]斯特林EM，阿伦德尔A，斯特林TD。有人居住的建筑物中人体暴露于湿度的标准。ASHRAE交易1985；(91):
[3]默里AB，弗格森AC，莫里森BJ。北美城市对屋尘螨的致敏作用,《过敏与临床免疫学杂志》, 1985；76(1):108-12.
[4]贝茨·JM、罗雷克·达、巴兰蒂·MH。干吸地毯清洁前后家庭住宅中的尘螨计数和螨过敏原，第6届空气质量和气候国际会议论文集，1993，第3卷，第33-8页。
[5] Harving H，Korsgaard J，Dahl J，Beck HI，Bjerring P .屋尘螨和特应性皮炎。过敏年鉴1990；65:25-31.
[6]晁NT，王娃，蒋CM .利用室外空气降低台湾公寓冬季室内湿度的控制策略研究——以浴室通风设计为例。ASHRAE交易。1996;102(1): 182-91.
[7] Kolokotroni M，Saiz N，Littler J,《水分运动:使用示踪气体技术和计算流体动力学建模的研究》。建筑服务工程与技术。1992;13(2): 113-17.
[8]近藤康史，永泽康弘，藤村俊一。湿度，浮力，影响，室内热环境预测(その1)，室内空气。
[9] ASHRAE。1997.ASHRAE手册-基础，第5章，亚特兰大。
【10】吉野家弘，吉野博。室内湿度、运动、亮度、热量的研究(その3)？推导了温差、温度、交换循环次数、湿度、湿度、卫生、卫生的影响公式。日本建筑学会代表大会学术发言综述。页（page的缩写）
赤井仁，金田康成，小川奈那正弘。大浴室的热量损失。空调与卫生工程。第78卷(1)，53-64，65438。
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