[发明专利]防冷凝外保温墙体内外侧空气层厚度的设计方法

权利要求书

1.一种防冷凝外保温墙体的内外侧空气层厚度的设计方法，其特征在于： 

所述墙体由室内向室外包括内饰板（10）、内侧空气层(9)、水蒸气阻碍层(8)、基层承重墙体（7）、阻燃型保温材料层（5）、水分扩散层（4）、防水层（3）、外侧空气层（2）、外饰板（1）；并且内饰板(10)上下均设有内层通孔(11),上方的内层通孔(11)与空调的回风口（14）相连以使内侧空气层(9)形成负压，让内侧空气层(9)与室内形成空气对流；并且外饰板（1）上下均设有使外侧空气层（2）与室外联通形成空气对流的外层通孔（13）； 

内侧空气层(9)和外侧空气层（2）厚度的设计方法包括以下过程： 

（1）、建立外保温墙体传热传湿数学模型 

建筑墙体高度和宽度远大于厚度，假设室内外温差和水蒸气压力差作用下的热湿传递仅沿墙体厚度方向，并且假设： 

a.材料各向同性； 

b.材料中不存在宏观的液体流动； 

c.材料导热系数是温度和总含湿量的函数； 

d.各相处于热平衡状态； 

e.不考虑墙体内外壁面处的蒸发潜热； 

f.不考虑温湿梯度对墙体内外壁面处湿平衡的影响； 

则关于每层多孔材料的能量和质量守恒方程式分别为: 

边界条件： 

初始条件： 

T(x，0)=T_b,ρ_v(x,0)＝ρ_vb    (7) 

式中T为温度（K），t为时间（s），x为坐标，λ=λ_dry+0.6U，λ_dry为材料干燥时的导热系数（W/(m·K)），U为材料的总含湿量（kg/kg），c_p为材料的比热（J/(kg·K)），ρ为材料的密度（kg/m³），h_lv为蒸发潜热（J/kg），Γ为湿积累率（kg/(m³·s)），ρ_v为水蒸气密度（kg/m³），ε为材料的孔隙度（m³/m³），α为对流换热系数（W/(m²·K)），β为对流湿交换系数（kg/(m²·s)），β=α/c_p，，D_v为材料中的水蒸气扩散系数（m²/s），D_a为空气中的水蒸气扩散系数m²/s，D_a=D_v·μ，μ为材料的水蒸气扩散阻力系数（无因次），R_v为水蒸气的气体常数J/(kg·K)， 

下标：O,N分别指室内、室外边界；in和out分别指室内外环境；b指初始值； 

(2)、湿积累率确定 

当材料内无冷凝，湿积累由下式确定： 

令：则 

当材料内出现冷凝，在冷凝区液体与水蒸气处于平衡状态，水蒸气浓度达到饱和，并且水蒸气浓度仅由温度决定，计ρ_v为即： 

此时湿积累唯一由质平衡方程确定： 

材料的含湿量： 

(3)、有限容积法求解热湿耦合方程 

将材料内无冷凝的Γ(x,t)代入原方程(1),(2)，则能量和质量守恒方程为下列形式： 

将材料内出现冷凝的Γ(x,t)代入原方程(1),(2)可得： 

方程(13)-(15)可以写成通式： 

当材料内无冷凝时的系数：

当材料内出现冷凝时的系数：A=B=D=0； 

a.对内部节点进行积分： 

对方程(16)在dx，dt内进行积分：在内部节点处理时，用P，E，W表示所研究的节点及相邻的两个节点，用e,w表示相应的界面，用上标0表示非稳态问题的上一时层的值，相邻两节点的距离以δx表示，用Δx表示相邻两界面间的距离。 

即： 

即： 

令所以 

同理，方程（17）也在dx,dt内积分可以得到： 

经整理得到： 

b.温度边界处理 

在边界节点处理时，用WI、EO表示内、外边界处节点，PI、PO表示与内、外边界相距0.5△x处节点，相应内边界条件式（3）可处理为下述形式： 

即： 

同理，外边界条件式（4）可处理为下述形式： 

令

式（26）和式（27）可写成下列形式： 

T_WI=k₃T_PI+K₄T_in    （28） 

T_EO＝m₃T_PO+m₄T_out    （29） 

c.湿度边界处理 

对边界条件式（5）和（6）进行上述相同边界处节点方法： 

内边界： 

即： 

外边界： 

令

式（31）和式（32）可写成下列形式： 

(ρ_v)_WI＝k₁(ρ_v)_PI+k₂(ρ_v)_in    （33） 

(ρ_v)_EO=m₁(ρ_v)_PO+m₂(ρ_v)_out    34） 

对于紧挨内外边界处的控制体的方程形式，由于边界处的参数未知，为消除未知 量T_WI,(ρ_v)_WI和T_EO,(ρ_v)_EO，将式（28）、（29）、（33）、（34）分别代入各自的控制方程（23）－（24），得到由外界空气参数所影响的方程形式： 

（35）

（37）

综合上述公式（23）－（24），（35）－（38）可以写成： 

Ma×T+Mb×ρ_v=T₀    （39） 

Maa×T+Mbb×ρ_v＝RH₀    （40） 

其中，Ma,Mb,Maa,Mbb,T₀,RH₀矩阵都为已知的常数矩阵，进而可以编制程序求取温度场和湿度场T,ρ_v；求出温度场和湿度场之后，即可求出总含湿量U；由于材料的物性参数随材料本身的温度及含湿量变化，因此用上一时刻的物性参数值计算下一时刻的温度场和湿度场及热流密度，并更新材料的物性参数；对每一个给定的结构内外侧空气层厚度，根据所计算的瞬态温度场和热流密度可计算出结构的瞬态传热系数K，通过判断传热系数K的值是否超过[GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》(6~8)]标准中所给出的限值，分析确定空气层的厚度范围。