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1、护结构湿传递研究摘要建筑围护结构采用的材料大多是多孔介质，由于多孔介质材料内部含有较多的孔隙，其 内部容易存在湿空气、液态水甚至固体冰。建筑内部环境通过围护结构与外部环境不断地进 行湿和热的传递，因此除了室外环境外，围护结构的热湿状况对室内环境及建筑能耗都有非 常重要的影响，对影响围护结构内热湿耦合传递因素国内外的研究越来越多。关键字：湿传递、多孔建筑材料、结露现象、热湿耦合传递AbstractBuilding envelope materials used are porous media, within which contains more pores and its internal
2、easily have wet air, liquid water and solid ice. Environment inside the building transfer constantly wet and heat through the building envelope and the external environment , so in addition to the outdoor environment, the heat and moisture conditions of building envelope had a very important impact
3、on the indoor environment and building energy consumption. The research on the factors of affecting on the envelope the structure transferring heat and moisture had more and more at home and abroad.Keywords:mass transfer;porous building material； dewing phenomenon； coupled heat and mass transfer研究背景
4、及意义对于建筑围护结构的节能来说，大多数人只会考虑到它的保温隔热性能。虽然保温和隔 热都是围护结构的重要作用，但仅仅考虑这两方面是远远不够的。其防潮性能和耐久性这些 年也逐渐开始受到人们的重视。随着对围护结构研究的深入，学者们逐渐意识到建筑围护结 构各部位的湿组分对围护结构具有破坏性的影响。因此，越来越多的学者开始着手研究湿量 对围护结构的影响。其中，围护结构内表面结露方面的研究一直是学者们研究的重点。围护 结构中的热和湿是会相互影响的，传热和传湿是研究建筑热环境时不可分割的问题。只有研 究围护结构内的热湿耦合传递过程，才能准确计算出围护结构内表面的温度，为围护结构内 表面结露现象的研究提供依
5、据。然而，围护结构热湿耦合传递使围护结构中热质传导机理变 得复杂，现实中很难全面的在热工和围护结构设计中考虑热湿耦合传递的问题，因而不利于 围护结构的节能设计。另外，在墙体内部的冷凝区域内，存在着由温度梯度驱动的饱和水蒸 气迁移和由温度及湿度梯度共同驱动的液态水分迁移，这使得围护结构热湿耦合计算更加复 杂。由于围护结构热湿耦合传递计算具有复杂性,建筑师们在设计围护结构时更多的只是考 虑保温隔热，或者依赖经验兼顾防潮，而非准确地计算湿迁移对围护结构的影响，造成建筑 不节能、影响建筑物外表的美观以及经济损失等众多问题。因此，研究围护结构内热湿迁移 特性并把它应用于建筑结构设计，使用和维护中等工程领
6、域具有很大的现实意义和社会效 益。正文从目前已有的研究成果来看，对热传递的研究比较多，而对湿传递的研究还很缺乏，主 要原因是有关湿传递的研究要困难得多，目前对多孔墙体湿传递的研究主要包括：1）针对寒 冷地区保温墙体冬季结露受潮问题，热湿地区夏季墙体积湿的霉变问题，研究沿墙体厚度方 向水蒸气压力和温度分布情况；2）研究多孔墙体传热传湿对室内温湿度或热湿负荷的影响； 3）研究多孔墙体热湿吸放过程对室内热湿环境的影响；4）围护结构热湿耦合传递。1、多孔介质湿传递研究1921年，Lewis提出固体的干燥包括两个过程：第一是湿分在固体表面的蒸发，第二是 湿分从固体内部扩散至表面。1929年，Sherwo
7、od延续了这一观点，并且认为湿含量梯度是 湿分扩散的驱动力，菲克定律适用。他建立了完全类似于一维非稳态导热方程的湿分扩散方 程,从而对迁移过程给出了可以进行定量分析的数学表达式。然而，其理论计算与实验结果 存在着较大的差异。1931年，Sherwood认识到了这一点，并修正了自己的观点，认为多孔 介质内部湿分的扩散存在着各种阻力。此后，King针对食物干燥，提出了蒸汽扩散模型。1937年，Cealglske和Hougen认为颗粒状物料干燥时，其内部的质传递并非由扩散决 定，而是由毛细流动决定的，从而建立了毛细管驱动模型。Henry将相变理论引入到多孔介质的水分迁移的研究中，认为只要有温度梯度存
8、在，就 会产生相应的蒸汽压力梯度，因而水分可以以蒸汽扩散的形式发生迁移。显然，Henry 了提 出了湿分迁移驱动力的另一种形式。Philip和de Vries。在1957年首次提出了以温度梯度和湿分梯度为推动势的双场耦合理 论模型。他们认为，土壤中的湿分传输同时存在气相和液相两种形态，而这两相流体的运动 都是由温度梯度和湿分梯度驱动的。其中，液相质量流率基于非饱和Darcy定律，蒸汽质量 流率基于Stefan扩散定律，根据他们的理论，水分的总质量流可以写成如下形式式中夕为湿分含量；T为温度；K为由于重力产生的质量流量；Dfi和Dt分别为等温扩 z0T散系数和热扩散系数。这些扩散系数同时包含了来
9、自气相和液相的扩散因素：2=q 丿+2$B =巧+ 2$Philip和de Vries的主要贡献在于他们把液态湿分方程和汽态湿分方程有机结合起 来,把单一驱动机制推向热湿双场驱动机制，这是含湿多孔介质研究的一大进展，后来的学 者们纷纷引用他们的经典方程（或略加修正）去解决许多实际问题。继Philip和de Vries之后，Luikov将不可逆热力学方法引入到多孔介质热湿迁移的 研究，建立了关于场物理量温度T、湿分0、压力P的三场梯度驱动模型，即=KT+K29+KT + KO + KP=K2lV2r + KB + K.jV;P上面三个方程中，二阶扩散项前的系数称为唯象因子，分别反映含湿非饱和多孔
10、介质内 部的多种输运机制。这一模型具有对称、直观、理论性强的特点，而且，因总压力驱动机制 的引入及多种内部因素的考虑，使得多孔介质的理论模型得以发展，也有不少研究者在 Luikov模型的基础上，进一步完善和改进，用来解决一些具体问题。但是，这一模型也有 几个缺陷，其中非常重要的一点是，由于所有表达式都是基于唯象关系式，因此，方程中各 参数的物理意义不是十分明确，而且，由实验的方法获得方程中的9个以张量形式出现的唯 象系数是十分困难的。另一个缺陷是恒相变因子的应用，这一因子被定义为蒸汽相中的水分 输运与液相中的水分输运的比值。虽然，采用相变因子可以对模型起到简化作用，但是，它 的取值带有一定假设
11、的性质，使得由上面方程组求得的分析解变为半经验解。再者，这个模 型没有反映气体的扩散传输机制，也有包括液体的对流传输机制等，而这些都是非饱和多孔 介质传输过程的重要机制。Whitaker在多孔介质传输领域做出了杰出的贡献，他的多相系统输运理论为人们在多孔 介质中应用连续介质力学方法来建立基本的守恒方程奠定了基础,尤其是他体积平均化技术! 对粒径（或平均孔径）、体积元及过程尺度的划分!再加上局部热力学平衡条件，使得人们自然 地将连续介质理论由单相推广到像含湿非饱和多孔介质这样的多相系统oWhitaker从每一相 （固相、液相、气相）的质量和能量守恒关系入手，对不同相采用容积平均法，得到一系列控
12、制方程。虽然最终的方程与标准的连续方程和动量方程没有太大的区别，但他对连续介质力 学的创新性应用，将人们对多孔介质热质传输过程的理论描述，从简单输运机制过渡到复杂 输运机制，从微观水平提升到宏观水平，从对微观尺度下每一相的守恒研究转向对宏观尺度 下的表征体元平均值的守恒研究。Whitaker模型的主要假设有：1、局部热平衡；2、达西定律有效；3、气相传输的主要 机制为菲克扩散和渗流作用；4、液相传输的主要机制为毛细流动（假定气相压力梯度对液体 运动的影响可以忽略）；5、刚性多孔固体骨架。其方程的形式如下：仏爲譽+5曲+叽必闻（讦小Q-怖 厭叨）+W必T叨用纹.爲 丫|子（吹）十4必）耳陽界 丛
13、触L帆丿?（%）+#（站）二-用式中，Aff为多孔介质有效导热系数；Dff为气相有效扩散系数。effeff， g这一模型的优点是：建模的假设非常清楚，方程中各项的物理意义明确，物性参数的定 义准确，而且，模型中包含了物理现象的大量信息，从而，可以对所研究的问题进行较全面 的分析。然而，该模型也有不足，如对过程的输运和控制机制的描述还不够完善，尤其是对 各种力的平衡关系未作全面表述，因此，还需要做出大的改进。Mamoru和Matstnnotoa等人提出了含湿多孔介质中有冻融现象存在时热湿祸合传递问 题的数学模型。该模型考虑了冻融水的作用，认为即使在0C以下，液态水在含湿多孔介质 有冻融现象存在的
14、热湿祸合传递过程中依然起着重要作用。该模型把湿化作为湿迁移势，综 合三相传热传质,建立了三相共存模型的平衡方程和能量守恒方程，并对模拟结果作了分析。P、Hau、PI等人通过能量守恒、质量守恒、线性瞬态对流定律及嫡增原理，建立了多 孔材料的热、湿及空气渗透三项祸合的非线性微分方程，丰富了多孔介质传热传质理论，并 开发了相应适合于多维模型运算的软件。目前，人们对围护结构热湿传递问题已经有了相对深入的认识，但在围护结构的工程设 计中，以Glaser提出的纯蒸汽扩散模型为代表的稳态理论多年来一直被普遍采用。IEA的资 料表明，这种方法在欧美国家的工程实践中是主要的方法。其他少数几个欧美国家应用抑 饱和
15、蒸汽压曲线冰蒸汽分压力曲线交叉法。其实质也是Glaser法。在我国建筑防潮设计中， 用的也是露点温度法和饱和蒸汽压曲线/水蒸汽分压力曲线交叉法。该模型并不详细分析建 筑围护结构中的湿迁移，只考虑常系数、稳态条件下的蒸汽扩散，判断建筑围护结构表面温 度是否低于环境的露点温度，用几个简单的步骤预估出建筑结构内部冷凝的可能性和冷凝可 能发生的位置。此模型最大的局限性在于它假设多孔材料内部只存在水蒸气，湿传递只是以 水蒸气扩散的形式进行的。而在实际情况中，多孔材料中液态水和水蒸气是同时并存同时传 递的。因此在传递机理上，纯蒸汽扩散模型是和实际情况存在偏差。在建筑围护结构传递的研究层面，国外已经进开展了
16、不少工作并取得了很多成果oAcker 给出了关于建筑物中水蒸气迁移和凝聚控制的基本讨论。Clarkel等人阐释了霉菌生长的过 程。对于地面（楼板）的传热传湿研究，Janssen, Deru, Bahnne, Hagentoft, dersonl。等做了 大量的实验!数值研究，研究了地基材料导热系数随含湿量的变化关系，地面传湿对室内气 温波动带来的影响以及传湿对于传热速率的影响。其中Hagentoft和Anderson对于不同形状 以及不同保温策略的建筑基础做了大量的研究，其研究成果成为欧洲标准。Nicolajsen和 Hansen通过实验共同提出保温层厚度以及通风对湿负荷几乎没有影响。在建筑能耗计算中， 建筑材料吸放湿的过程日益得到重视，不少学者对此进行了探讨。国内在建筑围护结构热湿状况研究方面也取得了不少成绩。陈启高等对建筑围护结构中 的热湿迁移过程进行了多年的探索与研究，从多孔材
