¿Utiliza el método CFD para estudiar la humedad interior y la distribución del rocío?
Palabras clave: Ventilación de humedad por rocío simulada por CFD
1. Introducción
Los problemas ambientales de humedad son diferentes de otros problemas de contaminación interior. Una humedad demasiado alta o demasiado baja puede afectar gravemente el rendimiento de un edificio y la salud de sus residentes. Si la humedad es demasiado baja, las personas se sentirán incómodas, como sequedad, lo que provocará grietas en las paredes y deformación de las tablas. Además, según una investigación realizada por académicos nórdicos, la tasa de supervivencia de las bacterias de la influenza aumentará significativamente con baja humedad. Sin embargo, si la humedad es demasiado alta, por un lado, provocará condensación en la superficie y el interior de la pared, reduciendo el aislamiento térmico y la durabilidad de la pared, afectando la vida útil del edificio [1]; Por otro lado, cuando la humedad supera el 70%, provocará la reproducción de una gran cantidad de hongos (hongos), provocando dermatitis atópica, asma y otras enfermedades, afectando la salud de los residentes [2-5]. Nuestro país tiene un territorio vasto y el ambiente de humedad interior en diferentes regiones muestra características diferentes. Por lo tanto, es de gran importancia realizar una investigación en profundidad sobre la humedad ambiental interior.
Con el rápido desarrollo de las funciones informáticas, la tecnología de simulación CFD se utiliza cada vez más en el campo del entorno construido, como la distribución de la temperatura interior, la eficiencia de la ventilación, el microambiente alrededor del cuerpo humano, etc. Sin embargo, hasta ahora, existen pocos estudios sobre la distribución de la humedad interior utilizando tecnología CFD en el país y en el extranjero [6, 7], y no hay investigaciones sobre la formación y desarrollo de la condensación interior.
2. Modelo de corrección CFD considerando cálculos de humedad y condensación.
Este estudio utiliza el modelo estándar de turbulencia k-ε. Sin embargo, considerando que la densidad del aire cambiará cuando el contenido de vapor de agua sea alto, lo que afectará el cálculo de la flotabilidad, el modelo se modificó según el método propuesto por Kondo et al [8] y se introdujo βx en el término de flotabilidad. . ¿Modificación mojada? El modelo de cálculo CFD de condensación se muestra en la Tabla 1. Además, en este estudio también se consideró el cálculo de la cantidad de condensación. Dado que la formación de condensación es un proceso dinámico, se proponen dos indicadores que cambian con el tiempo: la cantidad de condensación por unidad de área de pared con (s, t) multiplicada por el tiempo t, 1) la suma del rocío sobre la pared. pared, SUMCON(t). El método de cálculo y su combinación con el modelo CFD se muestran en la Figura 1.
Además, las fuentes de humedad en los edificios, como baños, cocinas, etc., tienen grandes superficies libres y la temperatura del agua es generalmente superior a la temperatura del aire ambiente. La difusión de moléculas de vapor de agua va acompañada de intercambio de calor. Si esta transferencia de calor y humedad no se considera al mismo tiempo, se producirán grandes errores en los resultados del cálculo de la temperatura interior, la distribución de la humedad y el flujo de aire. Debido a la falta de investigación en esta área [9], encontramos a través de experimentos que las cantidades de transferencia de calor y humedad M y qm de la superficie del agua libre están determinadas por las siguientes fórmulas, y luego pueden sustituirse en los cálculos CFD en la forma del flujo ascendente de calor y humedad como condiciones de contorno internas:
¿La imagen 1 está húmeda? El proceso de cálculo de la condensación en el modelo de cálculo de condensación CFD
Fórmula de cálculo de la ecuación de continuidad en la tabla del modelo 1:
Ecuación de movimiento:
Ecuación de transmisión:
Ecuación de transporte:
Ecuación de transferencia de calor:
Ecuación de transporte de vapor de agua:
Entre ellas:
Vortex coeficiente de viscosidad y otros elementos relacionados:
(1)
(2)
En la fórmula: tasa de intercambio de aire interior, H-1;
—Presión del vapor saturado correspondiente a la temperatura del agua, kpa;
——Presión parcial del vapor en el aire ambiente, kpa;
——Temperatura del agua, °C;
——Temperatura del aire ambiente, ℃;
——Calor latente de evaporación del vapor de agua, kj/kg;
——Calor específico del aire en condiciones constantes presión, kJ/(kgK) .
—Un parámetro recientemente propuesto que representa la relación entre la disipación de calor real causada por la difusión del vapor de agua y la disipación de calor máxima durante el intercambio de calor total del vapor de agua. De hecho, dado que parte del vapor de agua sólo sufre un intercambio de calor sensible al salir de la superficie del agua y no sufre cambio de fase, debería tener un valor entre 0 y 1. Utilizando una derivación de fórmula simple y un ajuste experimental, se puede organizar en la siguiente fórmula. Consulte [10] para obtener más detalles.
(3)
3. Prueba del modelo
¿Verificación de construcción húmeda? Para revelar la exactitud del modelo de cálculo CFD, se instaló una sala modelo en la sala de clima artificial del Instituto de Investigación Tecnológica de Tokyo Gas Company, se realizaron pruebas del modelo y los resultados de la simulación se compararon con datos experimentales.
En la Figura 2 se muestra una descripción general del modelo. La cabina modelo está fabricada con láminas de polietileno, y en la cabina se ajustan y simulan diversas condiciones de humidificación a través de humidificadores de suelo y control de temperatura del agua. La cantidad de humidificación se obtiene midiendo el cambio de peso del humidificador con una balanza electrónica. Hay una abertura en las paredes exteriores superior e inferior de la habitación pequeña. Se puede conectar un conducto de ventilación corto con un pequeño ventilador axial a la abertura. Se pueden simular diferentes modos de ventilación cambiando la posición del ventilador. El volumen de aire en una habitación pequeña se mide mediante un microanemómetro instalado en el conducto de ventilación. Además de la temperatura y la humedad exteriores, se colocaron 14 elementos de medición de temperatura y humedad (THP-B4, Shen Rong Co., Ltd., Japón) en la parte central de la cámara para medir la distribución de temperatura y humedad.
Consulte la Tabla 2 para conocer las condiciones de prueba y simulación. La condición de trabajo 1 es un cálculo en estado estacionario de la distribución de temperatura y humedad interior, y la condición de trabajo 2 es un cálculo dinámico de la formación y desarrollo de condensación. Los métodos de ventilación son todos ventilación mecánica de abajo hacia arriba.
Tabla de condiciones de prueba 2
Número de condiciones de trabajo
Condiciones climáticas de la habitación
Temperatura del agua del humidificador
(℃ )
Humedad
(g/h)
Capacidad de ventilación
(m3/h)
Entrada temperatura del aire
Temperatura (℃) y humedad (%) 114. 347. 044. 627. 517.014.3219.445 068+06538+0008.
Figura 2 Resumen de la prueba del modelo y disposición de los puntos de medición
4 Comparación de los resultados de la prueba y el cálculo
4.1 Verificación de la distribución de temperatura y humedad
La Figura 3 muestra la comparación entre la prueba y el cálculo CFD de la condición de trabajo 1, donde los datos de la prueba son el resultado cuando los valores medidos de todos los puntos de medición alcanzan un estado estable. En el valor de simulación, qm=486W/m2 es la disipación de calor por difusión de vapor de agua real calculada mediante la fórmula 2) y la fórmula 3) (Fm es aproximadamente 0,52 en este momento). A modo de comparación, también asumimos que todo el vapor se evapora en la fase gaseosa, no hay cambio de fase, la difusión y la disipación de calor están compuestas por intercambio de calor sensible (qm=184W/m2) y el vapor se evapora en la fase gaseosa. intercambio (q'=1026W/m2). En la figura se puede ver que la cantidad de difusión del vapor de agua y la disipación de calor tienen una gran influencia en la distribución de la temperatura interior. Por ejemplo, cuando se utiliza qm=1026W/m2, la temperatura cerca del techo es aproximadamente 2 grados más alta que el valor medido. Algunos estudios [11] recomiendan utilizar la cantidad total de intercambio de calor para estimar la disipación de calor por difusión de vapor de agua al calcular la carga de calor y humedad en el baño, lo que inevitablemente conducirá a grandes errores de cálculo. Por el contrario, dado que la humedad interior está determinada principalmente por el equilibrio de masa del vapor de agua, el valor de disipación de calor por difusión tiene poco impacto en el nivel promedio de humedad interior. Sin embargo, debido a los diferentes efectos de flotabilidad del flujo de calor, el patrón de flujo de aire. cerca de la superficie del agua provoca cambios sutiles en la distribución de la humedad. En general, los resultados calculados de q'=486W/m2 son más consistentes con los datos medidos, independientemente de la temperatura y la humedad.
La Figura 4 muestra los resultados de la simulación CFD del campo de flujo y del campo de temperatura y humedad en la sección de medición. Se puede ver en la figura que la columna de calor y humedad formada por la superficie del agua en esta sección casi no se ve afectada por la ventilación de la habitación pequeña, y la estratificación de temperatura y humedad es muy obvia.
Figura 3 Comparación de la distribución de temperatura y humedad medida y simulada (condición de trabajo 1)
Figura 4 Resultados del cálculo CFD (izquierda: campo de flujo de aire; medio: campo de temperatura; derecha: humedad campo)
4.2 Verificación del proceso de formación y desarrollo de condensación
La Figura 5 muestra la comparación entre los resultados de la prueba y los resultados del cálculo CFD del caso 2. El tiempo de prueba y simulación es de aproximadamente 30 minutos. Para formar mejor la condensación en la superficie y evitar que la humedad del aire interior alcance el 100%, en esta prueba se utilizó un dispositivo de precalentamiento para calentar el aire de entrada a 25,2 grados. Como puede verse en la figura, tanto las mediciones reales como las simulaciones muestran que la humedad en los puntos de medición en el techo (P1-7 y P2-7) alcanza la saturación después de aproximadamente 20 minutos, lo que indica que se ha producido condensación. Esto muestra que, aunque hasta ahora no existe un buen método para medir directamente el problema de la condensación, al comparar la distribución dinámica de la temperatura y la humedad en una habitación pequeña, los valores calculados y simulados son básicamente consistentes con los cambios a lo largo del tiempo. Se puede considerar que este cálculo se puede utilizar. El análisis del modelo de problemas de condensación es factible.
Para el segundo caso, utilizamos mojado? El modelo de cálculo CFD se utiliza para simular dinámicamente la condensación de rocío y el tiempo de simulación es de 1 hora. La Figura 6 muestra la distribución del rocío en cuatro puntos temporales. Aproximadamente 20 minutos después de que comenzó el experimento, la condensación apareció por primera vez en la esquina superior de la parte trasera de la cámara y luego se desarrolló a un ritmo más rápido a lo largo del techo y las paredes laterales. Después de 45 minutos, el área de condensación básicamente alcanzó la estabilidad, pero la cantidad de condensación continuó aumentando. A juzgar por la cantidad de condensación, hay más condensación en ambas paredes laterales y en el techo en la parte trasera de la cámara. Esto se debe a que las paredes laterales frontales y el suelo están cerca de la entrada de aire y el aire caliente eleva la temperatura de estas paredes.
Figura 5 Comparación de cambios dinámicos en temperatura y humedad medidas y simuladas (condición de trabajo 2)
Distribución de condensación simulada por CFD en función del tiempo.
5. El impacto de la ventilación en la condensación
La ventilación es uno de los medios importantes para resolver el problema de la condensación, pero hasta ahora hay poco análisis cuantitativo en esta área. ¿Utilizamos CFD para eliminar la humedad? El modelo de cálculo de condensación analiza el impacto de diferentes volúmenes de ventilación y métodos de ventilación en la condensación a través de tres ejemplos.
Ejemplo 1: Condición de trabajo dos;
Ejemplo 2: El volumen de ventilación aumenta de 7,9 a 9,4 m3/h, las demás condiciones permanecen sin cambios;
Ejemplo 3 :El método de ventilación se cambia a ventilación mecánica con filas superior e inferior, otras condiciones permanecen sin cambios.
La Figura 7 muestra los resultados de la simulación de la distribución de la condensación en los Ejemplos 2 y 3 (t = 60 minutos). En comparación con la Figura 6, debido al aumento del volumen de ventilación, el área de condensación de rocío en la Realización 2 se reduce correspondientemente, especialmente en la parte inferior de la pared lateral. El volumen de ventilación del Ejemplo 3 es exactamente el mismo que el del Ejemplo 1, pero la forma de distribución de la condensación es completamente diferente. Debido a la adopción del método de las filas superior e inferior, se suprime el ascenso de vapor de agua causado por la flotabilidad cerca de la superficie del agua y se reduce la condensación en el techo y las paredes laterales superiores. La Figura 8 muestra los resultados del cálculo para cada pared y la cantidad total de condensación para tres ejemplos (t = 60 minutos). Como puede verse en la figura, la exposición total del Ejemplo 2 y del Ejemplo 3 es sólo el 26% y el 20% de la del Ejemplo 1, respectivamente.
Figura 7 El impacto de diferentes volúmenes de ventilación y métodos de ventilación en la distribución de la condensación (izquierda: Ejemplo 2; derecha: Ejemplo 3) Figura 8 Cambios de condensación bajo diferentes volúmenes de ventilación y métodos de ventilación.
6. Conclusión
Para utilizar la tecnología CFD para estudiar la distribución de la humedad interior y la condensación de rocío, este estudio desarrolló un método húmedo. Modelo de cálculo CFD de condensación, a través de la verificación del modelo y cálculos de ejemplo, se pueden sacar las siguientes conclusiones:
1) Si se trata de un cálculo estable que no considera la condensación y solo considera la distribución de la humedad, o un cálculo inestable que Considera la condensación, los resultados del cálculo del modelo CFD concuerdan bien con los resultados experimentales. Esto muestra que el modelo se puede utilizar para análisis detallados de campos de humedad y condensación interiores. Especialmente para el problema de la condensación, donde actualmente no existe un método de medición eficaz, la aplicación de CFD proporciona un método de investigación muy importante.
2) Este estudio también aborda el problema de la transferencia simultánea de calor y humedad, propone un nuevo método de cálculo y lo aplica a los cálculos CFD.
3) Incluso si el volumen de aire es el mismo, los diferentes métodos de ventilación tienen un gran impacto en la distribución de la humedad interior y los niveles generales de humedad. Cuando la humedad interior es alta, los problemas de deshumidificación y condensación se pueden resolver de manera más efectiva mediante un diseño de ventilación optimizado;
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Hitoshi Akai, Yasunari Kaneda, Masahiro Ogawa Nana. Gran pérdida de calor en el baño. Ingeniería de climatización y saneamiento. Volumen 78(1), 53-64, 65438.
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