整体建筑动态热湿传递与空气流动模型的耦合研究

面向整体建筑的精确能耗模拟是建筑节能设计的基础。建筑的全能耗与整体建筑动态"热量-湿量-空气流动 (Heat, Moisture and Airflow)"的传递紧密相关。这三个物理量既有各自的传递规律，又相互影响、高度耦合。国内外现有的建筑能耗计算软件大多注重于动态热量传递计算，对于热量传递与湿气传递和空气流动的耦合计算尚不完善，仍然缺乏理想的计算模型。忽略建筑物内湿气传递和空气流动对热量传递的影响将大大降低建筑能耗模拟的准确性。本项目将深入研究整体建筑"传热-传湿-空气流动"的基本规律和耦合方法，并在自主研发的建筑围护结构内动态热湿计算程序基础上，将耦合热湿传递计算与多区域空气流动模型相结合，建立计算整体建筑全能耗的新理论模型，并将开展实验测试以验证新模型的准确性。本课题目标应用方向为夏热冬冷地区湿热(冷)环境下建筑节能计算与分析。

整体建筑动态“热量-湿量-气流”的传递对建筑室内环境、空调能耗、人体舒适性和建筑材料耐久性都有重要影响。本项目从深入研究多孔建筑材料内热湿耦合传递机理入手，改进了现有理论模型，完善了边界条件的测定方法，求得了常参数情况下不同边界条件下的全部解析解；同时开发了能够快速计算建筑围护结构内动态热湿传递的程序模块。在此基础上，本项目进一步研究热湿耦合传递与多区域空气流动的基本规律和耦合方法。比较了单向顺序耦合（sequential coupling）、双向顺序耦合（ping-pang coupling）、双向交互耦合（onion coupling）以及同时联立求解热湿传递和空气流动方程（simultaneous calculation）四种耦合方法的优劣和适用条件；并基于双向交互耦合法将热湿传递模块与多区域空气流动模块相整合，研发了面向整体建筑全能耗的新理论模型和计算程序。模拟结论指出在夏热冬冷湿润地区，当通风换气次数小于2时，围护结构的吸放湿作用对于室内环境的湿缓冲作用明显，选择合适的吸放湿材料可以对室内热湿环境起到有效调节作用，还可降低建筑能耗30%以上。本项目搭建“大、中、小”三种尺度的人工气候室，在常用建材热湿特性参数测定、围护结构热湿耦合传递和多区域空气流动三个方面开展了一系列实验室测试，并在真实建筑中开展实地测试用以验证新模型的准确性。实验结果证明新模型在计算湿热（湿冷）气候下建筑能耗的准确性。本项目研究成果可被用于夏热冬冷地区湿润环境下的建筑能耗计算和绿色节能建筑设计。