第1章 绪论
　　1.1 湿传递对建筑物的影响
　　气候变化是人类面临的全球性问题。2015年12月，第21届联合国气候变化大会通过了《巴黎协定》，已达成普遍共识：只有迅速且显著地减少温室气体排放量，才能使全球变暖气温上升幅度在本世纪中叶控制在2℃以内。我国相关节能政策和建筑法规对建筑围护结构的保温隔热能力和建筑气密性的要求越来越严格[1-3]。然而，增加围护结构保温隔热与提高建筑气密性会导致室内空气流通性变差，容易造成室内高湿。同时，在高湿、多雨水的夏热冬冷、夏热冬暖地区，供热空调间歇运行，这些地区多孔介质建筑材料内容易发生湿积聚，导致材料含湿量增加，围护结构的保温隔热能力降低，建筑能耗增加。此外，湿积聚会增加霉菌滋生风险，降低室内空气品质及围护结构的耐久性。
　　围护结构多为多孔介质建筑材料，具有很强的吸湿、传湿能力。围护结构受潮后，由于水的导热系数大于空气，材料导热系数会随着水分积聚而显著增加。例如，石灰硅砖的导热系数随水分含量增加而增加，当水分达到完全饱和时，其导热系数增加两倍以上[4]。同时，湿迁移伴随着焓的变化，影响围护结构内部的温度场。
　　围护结构内湿迁移与湿积累增加了墙体的导热性，从而影响建筑能耗。Khoukhi[5]的研究表明，建筑能效受保温材料含湿量影响较大，保温材料含湿量为30%时建筑物总冷负荷比保温材料处于干燥状态下增加了8%。Moon等[6]分析了围护结构内湿迁移对住宅建筑用能需求的影响，结果表明，围护结构内的湿迁移导致建筑能耗增加了4.4%。
　　高温高湿环境下围护结构内水蒸气冷凝积聚容易造成霉菌滋生。霉菌生长过程中会向室内散发黄*霉毒素、赭*霉毒素、呕吐毒素等有害物质，降低室内空气品质。
　　Gradeci等[7]的研究表明，潮湿空气会导致围护结构表面生长霉菌，增加室内人员患过敏和呼吸道疾病的风险。霉菌生长过程中代谢出的毒素还会干扰人体肝肾功能，抑制人的免疫系统[8-10]。Reijula[11]的研究发现，芬兰大约有50%的木质房屋受潮后出现霉菌滋生问题，并由此造成室内人员患哮喘和过敏等不适症状。
　　墙体保温隔热是减少建筑能源需求并提高室内热舒适度的一种重要手段。然而，在高湿情况下保温隔热处理不当反而会在墙体内造成冷凝，从而带来霉菌生长、木材腐烂、冻融损伤和盐渍损伤等热湿损伤[12]。
　　在湿气侵蚀下，木质建筑围护结构内会滋生木材腐烂真菌(以下简称木腐真菌)，造成木材腐烂，降低围护结构的耐久性与可靠性。Viitanen等[13-15]测量了极端潮湿条件下木屋腐烂损害的程度，在2年的时间里木材腐烂质量损失了约20%。Brischke等[16]的研究发现，在实际气候条件下暴露3.3年后松木木材开始发生腐烂，4年后出现严重腐烂。Guizzardi等[17]研究了湿迁移对砖木砌体内木材腐烂损伤的影响，研究发现，围护结构增加内部保温会导致木材内含湿量升高，木质结构的湿损坏程度明显增加。
　　此外，在我国严寒、寒冷地区常用的砖墙、混凝土墙体内，冬春季湿积累会导致围护结构内部及表面发生冻融循环，使得围护结构开裂，外饰面脱落，甚至产生破坏性形变，影响建筑的美观、安全性和耐久性。
　　综上所述，湿传递对围护结构热工性能、建筑能耗、室内空气品质和结构耐久性等方面均有重要的影响，热湿耦合传递研究可以更准确地预测和评估建筑物围护结构内的湿度和温度，为改善建筑物的能源性能、预测霉菌滋生风险和提高结构的耐久性提供基础性理论和方法支持。
　　1.2 风驱雨对建筑物的影响
　　风驱雨是降雨受风力的作用而降落在建筑外立面上的雨水。建筑墙体表面风驱雨量与降雨强度、风力大小、墙体表面雨水径流、墙体朝向、墙体材料种类和墙体表面粗糙度等紧密相关[18]。风驱雨作为建筑外立面的主要湿分来源之一，对墙体内的热湿耦合传递有重要的影响。
　　风驱雨显著增加建筑外立面含湿量，进而影响围护结构内部的湿度分布。同时，由于湿传递与热传递之间的相互耦合作用和水分的蒸发冷却作用，风驱雨必然影响围护结构内部的温度分布。
　　Diaz等[19]的研究表明，风驱雨可使建筑外表面温度*高降低7.4℃，建筑内表面温度*高降低1.0℃，室内空气温度*高降低0.4℃。Bastien等[20]的研究表明，考虑风驱雨时里斯本和温哥华地区墙体内的含湿量比不考虑风驱雨时分别增加了17倍和38倍。
　　夏季，围护结构表面雨水蒸发冷却可降低墙体表面温度，减少通过围护结构的得热量，从而影响建筑冷负荷。冬季，风驱雨会增加多孔介质建筑围护结构的含湿量，降低墙体的热阻，导致建筑物供热用能需求增加。Jayamaha等[21]的研究发现，受风驱雨影响，多孔介质建筑墙体的平均得热量降低了约10%。Abuku等[22]的研究表明，在北欧地区，风驱雨使得供热能耗增加了18.7%。
　　风驱雨加剧了墙体内的冷凝与湿积累。湿积累会使材料受潮，可能导致有些饰面材料开裂甚至脱落，钢材锈蚀；而且，冷凝为霉菌等滋生提供了有利条件，会造成木材腐烂，降低围护结构的耐久性与可靠性；此外，冬春季风驱雨也会导致围护结构内部及表面发生冻融循环，使得围护结构开裂，甚至产生破坏性形变。
　　1.3 热湿耦合传递理论模型综述
　　Glaser[23]针对多孔介质围护结构内的湿传递，提出了稳态纯水蒸气扩散模型，来预测墙壁中的冷凝风险。Glaser理论模型表示为
　　(1.1)
　　(1.2)
　　式中，gv为水蒸气扩散量，kg/(m2 s)；pv为水蒸气分压力，Pa；q为导热量，W/m2；T为温度，K；x为一维空间坐标，m；为材料的水蒸气渗透系数，kg/(m s Pa)；为材料导热系数，W/(m K)。
　　虽然Glaser理论模型计算简单，应用方便，但此模型为稳态模型。而实际建筑墙体通常暴露在非稳态气候条件下。同时，该模型没有考虑热传递与湿传递之间的耦合关系，且只考虑了水蒸气扩散引起的湿传递，忽略了液态水毛细传导，其应用受到很大的局限。为了揭示热湿耦合传递机理，Hens等[24]提出了多种不同湿驱动势的多孔介质动态热湿耦合传递模型。下面根据湿驱动势的不同来回顾和综述多孔介质热湿耦合传递理论的发展状况。动态热湿耦合传递模型中用到的主要湿驱动势有含湿量、相对湿度、水蒸气分压力、水蒸气含量、空气含湿量、毛细压力等。
　　1. 含湿量
　　Philip等[25]提出以温度和含湿量梯度为驱动势建立墙体内动态热湿耦合传递模型。Philip模型用菲克(Fick)定律和达西(Darcy)定律等**理论描述多孔介质中的湿分传输。该方法经常被用作后续模型开发的基础，用于预测或模拟在热湿耦合传递作用下多孔介质围护结构的热湿特性。Philip模型的能量传递和质量传递控制方程为
　　(1.3)
　　式中，cp为干燥多孔介质建筑材料定压比热容，J/(kg K)；DTl和DTv分别为与温度梯度相关的液态水和水蒸气扩散率，m2/(s K)；和分别为与含湿量梯度相关的液态水和水蒸气扩散率，m2/s；hlv为水的汽化潜热，J/kg；K为水力传导率，m/s；t为时间，s；T为温度，K；z为垂直坐标，m；为材料导热系数，W/(m K)；为干燥多孔介质建筑材料密度，kg/m3；为多孔介质建筑材料的体积含湿量，kg/m3。
　　Philip模型以含湿量和温度为驱动势建立热湿耦合传递控制方程，在计算墙体不同材料界面处含湿量时会遇到含湿量不连续的问题。Bouddour等[26]指出，Philip模型低估了水分传递质量流量。
　　Luikov[27]用不可逆热力学原理描述多孔介质建筑材料干燥过程中的传热和传质现象。Luikov模型的能量传递控制方程包含温度梯度作用下的导热量和湿分相变热量，质量传递控制方程包含含湿量梯度作用下的湿分传递和温度梯度作用下的水分扩散。Luikov模型的能量传递和质量传递控制方程为
　　(1.4)
　　式中，am为含湿量梯度作用下的湿扩散率，m2/s；cp为干燥多孔介质建筑材料定压比热容，J/(kg K)；hlv为水的汽化潜热，J/kg；t为时间，s；T为温度，K；u为多孔介质建筑材料的质量含湿量，kg/kg；为热梯度系数，K–1；为材料导热系数，W/(m K)；为干燥多孔介质建筑材料密度，kg/m3；为相变因子，无量纲。
　　为了描述多孔介质内的蒸发冷凝过程，Luikov引入了相变因子，水蒸气蒸发冷凝相变因子为固定值(0＜＜1)。Luikov模型的主要缺点是质量传递控制方程中存在蒸发冷凝相变因子，该相变因子不是从物理定律推导出的，因此凭经验很难准确确定该因子的大小。
　　Mendes等[28]以温度和含湿量为驱动势建立墙体动态热湿耦合传递模型，模型中质量传递控制方程包含水蒸气扩散和液态水毛细迁移两部分。Mendes模型的能量传递和质量传递控制方程为
　　(1.5)
　　式中，cp为干燥多孔介质建筑材料定压比热容，J/(kg K)；DT为温度梯度作用下的湿扩散率，m2/(s K)；DTv为温度梯度作用下的水蒸气扩散率，m2/(s K)；Du为含湿量梯度作用下的湿扩散率，m2/s；Duv为含湿量梯度作用下的水蒸气扩散率，m2/s；hlv为水的汽化潜热，J/kg；T为温度，K；t为时间，s；x为一维空间坐标，m；u为材料的质量含湿量，kg/kg；为材料导热系数，W/(m K)；为干燥多孔介质建筑材料密度，kg/m3；为液态水的密度，kg/m3。
　　Mendes模型中能量传递控制方程考虑了温度梯度作用下水蒸气传递的潜热和含湿量梯度作用下水蒸气传递的潜热，对能量传递机理的描述较为完整。但是，能量传递控制方程中与温度梯度有关的水蒸气扩散系数和与含湿量梯度有关的水蒸气扩散系数通常难以获得。
　　Nicolai等[29]以温度、水蒸气含量、液态水含量和盐碱物质的浓度为驱动势建立热、湿、空气和盐分在多孔介质建筑材料中的传递模型。Nicolai模型中的能量传递、水分传递、空气流动和盐碱物质溶解/结晶的控制方程为
　　(1.6)
　　式中，cp为干燥多孔介质建筑材料定压比热容，J/(kg K)；cpa为空气定压比热容，J/(kg K)；cpl为液态水定压比热容，J/(kg K)；cpp为析出盐碱物质定压比热容，J/(kg K)；cpv为水蒸气定压比热容，J/(kg K)；ha为空气比焓，J/kg；hs为盐碱物质比焓，J/kg；hv为水蒸气比焓，J/kg；hw为水的比焓，J/kg；jdiff为水蒸气扩散通量，kg/(m2 s)；jdisp为水蒸气弥散通量，kg/(m2 s)；T为温度，K；t为时间，s；x为一维空间坐标，m；v为空气体积含湿量，kg/m3；为材料导热系数，W/(m K)；为水蒸气容积比，m3/m3；为液态水容积比，m3/m3；为析出盐碱物质容积比，m3/m3；为干燥多孔介质建筑材料密度，kg/m3；为空气密度，kg/m3；为液态水密度，kg/m3；为析出盐碱物质密度，kg/m3；为溶解盐碱物质密度，kg/m3；为水蒸气密度，kg/m3；为液相湿分密度，kg/m3。
　　Nicolai模型是以液态水的体积含湿量和水蒸气的体积含湿量为湿驱动势的，在墙体不同材料界面处会出现含湿量不连续问题。
　　2. 相对湿度
　　Künzel[30]提出以温度和相对湿度为驱动势建立多孔介质热湿耦合传递模型。Künzel模型的能量传递和质量传递控制方程为
　　(1.7)
　　(1.8)
　　式中，cp为干燥多孔介质建筑材料定压比热容，J/(kg K)；cpl为液态水定压比热容，cpl=4200J/(kg K)；Dw为液态水扩散率，m2/s；H为总焓值，J/(m3 K)；hlv为水的汽化潜热，J/kg；ps为饱和水蒸气分压力，Pa；T为温度，K；t为时间，s；x为一维空间坐标，m；为静止空气中的水

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 湿传递对建筑物的影响 1
1.2 风驱雨对建筑物的影响 2
1.3 热湿耦合传递理论模型综述 3
1.4 本书主要内容 11
参考文献 12
第2章 多孔介质建筑材料动态热湿耦合传递模型 16
2.1 建筑材料的蓄湿*线 16
2.1.1 多孔介质的蓄湿特性 16
2.1.2 建筑材料中的水分存储 16
2.1.3 蓄湿*线的解析方程 19
2.2 多孔介质建筑材料中的水分传递机制 20
2.2.1 水蒸气扩散传递 21
2.2.2 空气流动携带的水蒸气 21
2.2.3 毛细力作用下液态水迁移 22
2.3 以相对湿度为湿驱动势的动态热湿耦合传递模型 22
2.3.1 基本假设 22
2.3.2 湿传递控制方程 23
2.3.3 热传递控制方程 25
2.3.4 空气流动方程 26
2.4 以毛细压力为湿驱动势的动态热湿耦合传递模型 28
2.4.1 湿传递控制方程 28
2.4.2 热传递控制方程 29
2.5 边界条件 30
2.5.1 室外侧边界条件 31
2.5.2 室内侧边界条件 31
2.6 多孔介质建筑材料的热湿物性参数 32
2.7 表面对流传热传质系数的确定 34
2.8 墙体外表面太阳辐射计算 36
2.8.1 太阳位置的计算 36
2.8.2 壁面与太阳之间的相对关系 38
2.8.3 壁面太阳辐射照度计算 39
2.9 风驱雨量确定方法 41
2.9.1 试验测量方法 41
2.9.2 数值模拟方法 42
2.9.3 半经验方法 42
2.9.4 风驱雨量计算模型的改进 44
2.10 本章小结 45
参考文献 46
第3章 多孔介质墙体动态热湿耦合传递模型求解 49
3.1 常用数值方法简介 49
3.2 多孔介质墙体动态热湿耦合传递模型有限差分法求解 51
3.2.1 内部节点离散方程 52
3.2.2 材料交界面节点离散方程 53
3.2.3 边界条件处理 55
3.2.4 计算流程 57
3.3 多孔介质墙体动态热湿耦合传递模型数值模拟软件求解 58
3.3.1 热湿耦合传递偏微分方程组的矩阵表示 58
3.3.2 空气流动方程的系数矩阵表示 62
3.3.3 数值模拟软件求解步骤与常见问题处理方法 63
3.4 本章小结 65
参考文献 65
第4章 建筑墙体动态热湿耦合传递模型验证 66
4.1 模型验证准则 66
4.2 理论验证 67
4.3 模型间验证 69
4.4 双侧受控条件下试验验证 72
4.4.1 试验测试与材料热湿物性参数 72
4.4.2 1#墙体 78
4.4.3 2#墙体 81
4.4.4 3#墙体 83
4.4.5 4#墙体 86
4.5 实际气候条件下试验验证 89
4.5.1 试验测试及材料热湿物性参数 89
4.5.2 模拟值与实测值对比 94
4.6 误差分析 97
4.7 本章小结 97
参考文献 98
第5章 建筑墙体热湿特性和能耗影响分析 100
5.1 动态热湿耦合传递模型与瞬态导热模型 100
5.1.1 动态热湿耦合传递模型 100
5.1.2 瞬态导热模型 101
5.2 冷热负荷和能耗计算模型 101
5.2.1 空调期墙体传递的冷负荷 101
5.2.2 供热期墙体传递的热负荷 102
5.2.3 单位面积外墙传热产生的全年供热空调能耗 103
5.3 墙体结构与气候边界条件 103
5.3.1 模拟分析的墙体结构 103
5.3.2 室外气候边界条件 104
5.3.3 室内气候边界条件 108
5.4 墙体内外表面温度和相对湿度 108
5.4.1 夏季墙体外表面温度 108
5.4.2 夏季墙体外表面相对湿度 110
5.4.3 夏季墙体内表面相对湿度 112
5.4.4 冬季墙体外表面温度 113
5.4.5 冬季墙体外表面相对湿度 114
5.5 冷热负荷和能耗 116
5.5.1 冷负荷 116
5.5.2 热负荷 121
5.5.3 能耗 127
5.6 本章小结 130
参考文献 131
第6章 考虑热湿耦合传递的墙体保温层厚度优化 132
6.1 墙体保温隔热形式 132
6.2 墙体保温层厚度优化方法 134
6.2.1 外墙传热引起的供热空调能耗费用 135
6.2.2 经济分析模型 136
6.3 墙体保温层厚度优化计算 137
6.4 风驱雨对*佳保温层厚度的影响 145
6.4.1 墙体结构与材料热湿物性参数 145
6.4.2 风驱雨的影响 147
6.5 本章小结 149
参考文献 150
第7章 墙体内部毛细冷凝分析 152
7.1 墙体内部冷凝 152
7.2 冷凝验算方法 153
7.2.1 基于水蒸气渗透理论的稳态冷凝方法 153
7.2.2 基于热湿耦合传递理论的毛细冷凝方法 156
7.3 夏季墙体内部冷凝分析 158
7.3.1 墙体结构和气候边界条件 158
7.3.2 夏季稳态冷凝方法计算结果 158
7.3.3 夏季毛细冷凝方法计算结果 160
7.3.4 夏季空调期保温层湿重增量 162
7.3.5 夏季空调期不同保温材料对保温层湿重增量的影响 163
7.4 冬季墙体内部冷凝分析 163
7.4.1 冬季稳态冷凝方法计算结果 163
7.4.2 冬季毛细冷凝方法计算结果 165
7.4.3 冬季供热期保温层湿重增量 167
7.4.4 冬季供热期不同保温材料对保温层湿重增量的影响 168
7.5 本章小结 168
参考文献 169
第8章 建筑墙体霉菌滋生风险预测与评估方法 171
8.1 霉菌及其生物学特性 171
8.2 霉菌生长条件 172
8.3 霉菌对室内空气品质和健康的影响 173
8.4 霉菌生长模型 174
8.4.1 温度比模型 174
8.4.2 湿润时间比模型 174
8.4.3 改进的VTT模型 175
8.4.4 等值线模型 179
8.5 霉菌滋生风险评估模型 181
8.6 建筑围护结构表面和内部霉菌生长预测 182
8.6.1 嵌入木梁组合结构的砌体砖墙 182
8.6.2 砖（混凝土）木组合墙体 193
8.6.3 不同朝向墙体长期霉菌生长预测 199
8.7 南方地区墙体霉菌滋生风险评估 202
8.7.1 墙体霉菌滋生风险分析 202
8.7.2 南方地区墙体霉菌滋生风险 205
8.8 南方地区墙体内表面霉菌滋生风险室内空气温湿度临界线 213
8.8.1 墙体霉菌滋生风险室内空气温湿度临界线 214
8.8.2 南方地区主要城市墙体内表面霉菌滋生风险室内空气温湿度临界线 215
8.9 本章小结 218
参考文献 219
第9章 木材腐烂损伤评估 223
9.1 建筑物中的腐烂真菌 223
9.2 建筑围护结构中的木材腐烂条件 224
9.2.1 温度 224
9.2.2 湿度 224
9.3 木材腐烂模型 225
9.3.1 VTT模型 225
9.3.2 Nofal-Kumaran模型 227
9.4 木梁组合结构木材损伤评估 230
9.4.1 应用VTT模型评估 230
9.4.2 应用Nofal-Kumaran模型评估 232
9.5 砖木组合墙体木材损伤风险 234
9.5.1 墙体结构和气候边界条件 235
9.5.2 交界面松木板腐烂风险 235
9.5.3 不同朝向墙体木材腐烂风险分析 239
9.6 本章小结 241
参考文献 242
第10章 建筑围护结构热湿耦合传递与建筑能耗模拟软件联合计算 244
10.1 技术方案 244
10.2 *立开发程序的验证 247
10.3 接口设计 251
10.4 *立调试与联合调试 253
10.5 联合计算算例 255
10.6 本章小结 265
参考文献 266
附录 嵌入木梁的砌体砖墙构造详图 267