通风方式对壁面结露分布的影响研究

2018-07-05姜建中

重庆理工大学学报(自然科学) 2018年6期

王威，吕芳，姜建中，王戎

(军事科学院国防工程研究院，北京 100850)

目前，在工程领域常采用两种手段来降低围护结构的结露风险：普通房间采用墙体贴附保温材料措施提高围护结构内表面的露点温度；通风空调房间则通过控制室内温度值和空气含湿量的方法降低湿空气在壁面凝结的可能性。相比两种方法，采用机械通风不仅能降低建筑的结露风险，而且还可以调控室内的温湿度环境，所以通风在工程中的应用更广泛。由于建筑物室内的湿度分布与湿源的产湿特点相关，并且时刻随建筑通风工况的改变而发生变化，因此通过研究通风对室内壁面结露分布规律的影响对于建筑防潮、防结露的理论研究以及通风工程的设计具有一定的参考价值。

1 模型建立

1.1 物理模型

模型空间围护结构为中空双层钢化玻璃幕墙，可忽略壁面的吸湿能力，方便研究过程中观测壁面结露的情况，地板和顶棚均设有保温材料，顶棚开设风口，与进风口相接的风管上装有变频轴流风机，通过调节风机频率来模拟不同的通风量。模型置于恒温为20 ℃的实验室内，可通过模型地板中央的加热式加湿器来调节和模拟加湿工况。

物理模型概要见图1，模型边界条件设置见表1，模拟工况参数设置见表2。

图1 各通风工况的物理模型

边界名称参数设定送风口送风量205.2 m3/h,温度25 ℃,相对湿度72 %,湿度0.014 kg/kg′排风口采用自由出流(Outflow)壁面绝湿,传热系数1.86 W/(m2·K),室外环境温度17 ℃初始环境室温25.5 ℃,相对湿度64%,湿度0.012 8 kg/kg′湿源入口产湿量0.6 g/s,蒸汽温度90 ℃顶棚、地板绝热、绝湿

表2 模拟工况参数

1.2 模型假设

建立数学模型前，需对模型作5点简化假设[6]：

① 忽略重力场对空气和水蒸气的影响；

② 空气和水蒸气均视为不可压缩流体，密度为恒定值；

③ 水蒸气从水面蒸发时只进行潜热交换，不考虑显热交换；

④ 水蒸气在壁面凝结时忽略相变过程的放热量；

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⑤ 壁面结露过程中不考虑壁面的吸湿能力。

1.3 数学模型

采用FLUENT 14.0湍流模块(Standardk-ε)分析流场特性，组分输运模块(Species Transport)和多相流模块(Multiphase)模拟水蒸气在空气中的传质相变过程。控制方程如下[7]：

(1)

式中：φ是通用变量；Γ是广义扩散系数；s是广义源项。

1.4 壁面结露的判据

壁面结露的条件：当壁面周围的空气节点绝对湿度Dair大于壁面温度对应的饱和绝对湿度Dwall时，即认为壁面开始结露。

壁面不结露的条件：任意τ时刻，当壁面周围的空气节点绝对湿度Dair均小于壁面温度对应的饱和绝对湿度Dwall时，认为壁面不结露[8]，即：

max{Dwall(τ)}

(2)

2 模拟结果与分析

2.1 通风方式对湿度分布影响的模拟结果与分析

图2～4为相同通风量、不同通风方式下中心截面的相对湿度分布，图中相对湿度RH≥100%的范围表征水雾的形成区域。由图2～4可知：不同的通风方式下，中心截面的相对湿度分布差异很大；相比较其他工况而言，工况1整个空间内的相对湿度值普遍较低；工况2空间内高湿度区域分布在空间偏下方位置；工况3空间内高湿度区域集中在空间上方位置。对湿源出口附近形成的水雾进行分析，结果表明：工况1形成的水雾集中在湿源出口上方0.5～0.9 m的范围；工况2形成的水雾集中在湿源出口右上方0.5～1.6 m的范围，水雾体积最大；工况3形成的水雾体积最小，在湿源出口上方0.5～0.7 m的范围。

图2 工况1截面湿度分布

图3 工况2截面湿度分布

图4 工况3截面湿度分布

2.2 通风方式对结露速率影响的模拟结果与分析

为研究通风方式对空间及壁面结露的影响，分别以湿源出口位置距离顶棚之间的线段(记作P1线)、墙壁X=0和墙壁Y=3.18 m的相交线(记作P2线)为研究对象，分析不同通风方式下空间和壁面的结露速率沿高度方向的变化规律。P1线、P2线位置见图1(a)。

由图5可知：在相同通风量情况下，工况3的通风方式对于湿源出口上方空间的结露抑制效果最好，除了在高度0.4～0.6 m范围内有少许结露产生之外，其余位置的结露速率均为0，不发生结露现象；工况2的通风方式最不利于控制湿源出口上方空间的结露发生，从结露速率分布曲线可知，在高度0.7～2.1 m范围内，工况2的结露速率最高，意味着湿源上方空间内形成水雾的时间短、速度快、凝结水量大。因此，通过合理地改变通风方式可以有效降低空间内的结露速率，缓解空间内的结露现象，减少湿源出口上方产生的水雾，进而起到防止水雾附着在壁面和顶棚后汇聚成水滴发生“水珠滴落”现象。

图5 不同工况下结露速率沿P1线变化情况

图6为两墙体相交线上的结露速率分布曲线，从图中可知：通风方式为工况1时，壁面结露速率随壁面高度的增加而增大，这意味着壁面上方位置结露形成时间早、速度快、结露量大；壁面下方结露形成时间晚、速度慢、结露量少。工况2和工况3结露速率曲线相似，壁面的结露速率随高度的增加而减小，这时越接近墙脚位置结露形成的速度越快，结露量越多。对比3种工况可知，相同的通风量时，工况3的通风方式下空间及壁面的结露速率最低，因此，从降低壁面结露速率的角度出发，工况3的通风方式是最优的。

图6 不同工况下结露速率沿P2线变化情况

2.3 通风方式对壁面结露分布影响的模拟结果与分析

图7～9为不同工况下各典型时刻的壁面结露分布变化模拟图，图中左侧条形颜色带的数值表征壁面的结露量，单位为kg。由图7～9可知：工况1时，壁面开始结露的时刻是480 s，结露的初始发生位置为靠近排风口一侧的顶棚墙角处，壁面从发生结露开始到结露面积稳定所随持续时间为1 800 s，壁面的最大结露量是0.33 g；工况2时，结露的初始时刻是600 s，结露的初始发生位置为靠近送风口一侧的顶棚墙角和两侧壁面的中间区域，壁面从发生结露开始到结露面积稳定所持续的时间为1 800 s，壁面的最大结露量是1.14 g；工况3时，结露的初始时刻是900 s，结露的初始发生位置为靠近送风口一侧的地板墙角处，壁面从发生结露开始到结露面积稳定所持续的时间为2 400 s，壁面的最大结露量是0.299 g。

从壁面结露的分布位置分析，在顶棚送顶棚排的通风方式下，结露开始的位置在靠近排风口一侧的顶棚墙角处，之后在顶棚与四周墙壁的交接部位以及墙角处相继出现结露现象，随着热蒸汽的不断产生，结露面积开始从顶棚向墙壁下方逐渐延伸，直至结露面积趋于稳定。侧上送侧下排的通风方式下，结露开始的位置在靠近送风口的顶棚墙角两侧和左右壁面的中间区域，之后在地板的四周墙角以及送风口一侧壁面相继出现结露现象，随后结露面积开始延伸，直至趋于稳定。侧下送侧上排的通风方式下，结露开始的位置在靠近送风口的底部墙角两侧，之后在送风口左右两侧壁面和排风口一侧的顶棚墙角处出现结露现象，随后结露面积开始扩大，直至趋于稳定。

对比各通风方式下的结露情形可知：当通风量相同、但通风方式不同时，各壁面的结露情况差异很大。从图中可得知：工况3的结露面积最小，工况1其次，工况2结露面积最大。因此，从降低壁面结露风险角度出发，工况3的通风方式最优。