基于能量平衡理论的建筑围护结构热湿耦合传递机理研究

近些年来，建筑节能标准不断提高，大家对围护结构的热湿传递特性关注度越来越高。这是因为建筑围护结构是连接室内和室外环境的一道物理屏障，它的热湿耦合传递过程会对建筑能耗、室内热舒适度以及结构耐久性产生直接影响。

能量平衡理论是研究热湿耦合传递这一复杂过程的核心理论依据。借助构建热力学和传质学的耦合模型，就能够系统地分析热量与湿气在墙体、屋面等构件当中的迁移规律。热湿耦合传递指的是热量与湿气在多孔介质中一起迁移的情况。在建筑围护结构中，这种迁移会同时受到温度梯度、湿度梯度、材料属性以及环境条件的影响。具体来说，温度梯度不单单会驱动热传导，还会引起湿气的热扩散效应；湿度梯度会促使湿气在材料孔隙里迁移，并且会伴随着潜热的释放或者吸收。这种相互作用使得传统的单独去分析热传递或者湿传递的方法存在明显的局限性，所以必须得采用耦合模型才可以准确地描述实际发生的过程。

进行热湿耦合传递研究一般有三个重要的环节。首先要构建数学模型，这需要根据傅里叶定律来描述热传导，依据菲克定律来描述湿扩散，然后通过耦合系数来体现热传导和湿扩散两者之间的相互作用。之后要开展参数测定工作，这涉及到材料的导热系数、湿扩散系数、等温吸湿曲线等关键的物理性质，这些参数要么需要通过实验进行测量得到，要么需要参考已有的相关文献来获取。最后就是进行数值求解，一般要采用有限差分或者有限元方法对偏微分方程组进行离散化处理，然后结合边界条件去模拟实际工况之下热湿分布的规律。

热湿耦合传递这项研究在实际的应用当中有着重要的价值。对围护结构的热湿性能进行优化能够直接降低建筑供暖和制冷方面所消耗的能量，这与我国“双碳”战略目标是相符合的。合理地控制建筑围护结构内部的湿迁移能够有效避免结露、霉变等情况的出现，这样做既可以提升室内空气质量，又能够延长建筑的使用寿命。除此之外，这项研究还为新型节能建材的开发以及既有建筑的改造提供了相应的理论依据，能够推动建筑行业朝着绿色低碳的方向发展。随着能量平衡理论在热湿耦合传递研究里得到更深入的应用，就能够实现对建筑性能进行精细化的设计以及科学的评估，从而为可持续建筑的发展奠定非常坚实的基础。

能量平衡理论是研究建筑围护结构热湿传递过程的核心基础。该理论的本质是，在特定的时间和空间范围内，系统输入的能量、输出的能量以及内部储存的能量这三者存在守恒关系。此理论把能量看作可以量化的物理量，通过建立严格的数学关系来揭示能量在不同介质之间迁移转化的规律。在建筑物理环境当中，能量平衡不仅包含显热传递，还需要考虑相变潜热这类隐性能量形式，只有这样做才能够全面反映围护结构真实的热工状态。

建筑围护结构的能量构成具有多个维度。太阳辐射能是外部输入的主要能量形式，其透过玻璃之后被墙体吸收进而转化成内热源。室内外空气通过围护结构表面进行对流换热从而实现显热能量的双向传递。当材料内部有水分迁移时，蒸发或者凝结过程会产生相变潜热，这种潜热效应在能量平衡里通常被简化处理，然而它对湿热耦合传递而言是非常关键的。并且墙体自身的蓄热特性会让部分能量以热容形式暂时储存起来，由此形成动态的储能环节。这些不同的能量组分相互交织在一起，共同构成了建筑围护结构所特有的能量平衡体系。

区分通用能量平衡与建筑围护结构特定能量平衡的差异是很有必要的。通用理论一般会假设系统是均质且各向同性的，但是建筑围护结构却需要考虑多层材料的异质性、各向异性热湿物性，同时还要考虑内外环境动态变化带来的边界条件非稳态特性。在本研究当中，能量平衡的边界条件被明确界定成围护结构内外表面与环境的交界处。外边界要综合考虑太阳辐射强度、室外气温、风速等气象参数，内边界则要考虑室内热源、空调负荷等人为因素。这样的差异化设定能够让理论模型和工程实际更加契合。

这个能量平衡框架为构建热湿耦合传递方程提供了理论支撑。将热传导方程和湿迁移方程中的能量项联立起来，就能够精确描述水分相变导致潜热释放或者吸收对温度场产生的影响，以及温度梯度驱动的热湿扩散过程。例如在蒸汽渗透的时候，冷凝释放的潜热会明显改变局部温度分布，而温度变化又会反过来影响湿分迁移速率。能量平衡理论通过对这种双向耦合效应进行量化，使得后续建立的数学模型能够完整覆盖热湿传递中的能量转化路径，从而为建筑节能设计和热工性能优化提供可靠的理论依据。

建筑围护结构热湿耦合传递方程是用来描述热量和水分在多孔介质里相互作用的数学模型。该模型核心是由温度梯度驱动的热传递过程和由湿度梯度驱动的湿传递过程存在内在联系。从能量平衡理论看，热传递方程要同时考虑显热和潜热效应，湿传递方程要涵盖扩散与相变过程，二者通过相变潜热变化和材料参数调整实现耦合。

热传递方程以傅里叶定律为基础，还引入因湿分相变产生的潜热项，其具体表达式为：

在这个表达式里，\(\rho\)代表的是材料密度，\(c_p\)指的是比热容，\(T\)表示的是温度，\(\lambda\)为导热系数，\(L_v\)是相变潜热，\(\rho_v\)指的是水蒸气密度。方程左边所代表的是内能随时间的变化速率，右边第一项对应的是传导热通量，第二项则是相变潜热产生的热源项。导热系数\(\lambda\)会随着材料含湿量的变化而发生改变，这直接体现出湿传递过程对热传递所产生的影响。
湿传递方程以菲克定律为基础，同时考虑了液态水扩散和水蒸气迁移过程，其具体表达式为：

这里的$\theta$表示的是体积含湿量，$D$w和$D$v分别代表液态水和水蒸气的扩散系数。方程右边的两项，分别对应的是液态水扩散和水蒸气迁移的情况。扩散系数会受到温度梯度的影响，这体现出热传递对湿传递过程起到的作用。

热湿传递的耦合关系主要是通过相变项来体现的。热传递方程中的$\partial \rho$v/\partial t和湿传递方程中的$\nabla \cdot (D$v \nabla \rhov)存在着直接的联系，相变潜热$L$v在其中起到了连接能量传递和质量传递的作用。除此之外，材料参数（像$\lambda$、$D$w、$D$v）会随着温度和湿度的变化而发生改变，这进一步增强了热湿传递的耦合效应。整个方程体系是严格遵循能量守恒定律的，为分析建筑围护结构的热湿性能提供了理论方面的支撑。

在研究建筑围护结构热湿耦合传递机理的时候，建立数学模型属于关键步骤。因为模型准确与否会直接影响后续分析结果是否可靠。实际的围护结构情况比较复杂，所以需要对其进行合理的几何简化和物理简化。

从几何方面讲，大多数建筑围护结构能够当作多层一维板状组合体，这是由于其厚度相较于平面尺寸大了很多，因此不用考虑边缘效应和局部构造细节，只需要关注厚度方向的热湿传递就行。这种简化是符合工程实际当中墙体、屋顶等构件常见特点的，并且有大量实验数据可以证明这种简化是有效的。在物理方面，重点要研究非稳态条件下的热湿传递，把辐射换热等次要的方式暂时忽略掉，同时假设材料是各向同性并且是连续分布的。虽然这些简化让模型变得没那么复杂了，然而并没有改变核心的耦合机理。对完整模型和简化模型进行参数敏感性分析后发现，温度梯度和湿度梯度的主导作用趋势是一样的。

基于前面所做的简化，再结合能量守恒和质量守恒原理，就能够建立热湿耦合控制方程。热量传递方程当中存在热传导项和湿分迁移相变潜热项，其具体表达式是：

在这个表达式里，\(\rho\)表示的是材料密度，\(c\)指的是比热容，\(T\)代表的是温度，\(\lambda\)为导热系数，\(L_v\)是水蒸气汽化潜热，\(J_v\)是水蒸气扩散通量。湿分传递方程需要考虑液态水扩散和水蒸气扩散的共同作用，其表达式是：

在式子之中，$w$是材料含湿量，$D$w是液态水扩散系数，$D$v是水蒸气扩散系数，$P_v$是水蒸气分压力。

初始条件是在初始时刻的时候，围护结构内部的温度和湿度分布是均匀的，也就是$T(x,0)=T$0，$w(x,0)=w$0。边界条件需要分为室内外侧。外侧受到室外气象参数的影响，采用第三类边界条件，这里面包括了对流换热和传质过程；内侧考虑室内温湿度控制条件，同样采用对流边界。这个模型经过合理简化以后，既把热湿耦合的核心物理过程保留了下来，又使得计算变得没那么复杂，为后续的数值模拟奠定了可以操作的基础。该模型的合理性已经通过和多个实际工程案例的实测数据进行对比得到了验证。

文章基于能量平衡理论，对建筑围护结构热湿耦合传递机理进行系统探讨后得出主要结论。建筑围护结构热湿耦合传递是热量和水分在结构内部相互作用且共同迁移的复杂物理过程，此过程核心受能量守恒和质量守恒双重约束。研究发现温度梯度是热传递主要驱动力，湿度梯度主导湿传递，二者借助材料热物理性能和含湿状态形成动态耦合关系，而这一过程既影响建筑能耗，又直接关系到室内热湿环境稳定性以及围护结构耐久性。

从核心原理方面来讲，研究揭示出热湿耦合传递有三个关键机制，分别是传导与扩散间的相互作用、相变时的能量交换现象以及边界条件的动态反馈机制。材料含湿量发生变化会明显改变其导热系数，温度出现波动又会通过对水蒸气分压产生影响来改变湿传递速率。因为存在这种非线性耦合关系，所以传统独立分析热湿传递的方法存在明显局限，必须采用联合求解模型才能够准确反映实际过程。

研究通过建立数学模型并且开展数值模拟，明确了热湿耦合传递的实现路径。这一路径包含几个关键步骤，首先是基于傅里叶定律和菲克定律构建耦合控制方程，接着确定材料热湿物性参数随温湿度的变化规律，最后结合气象数据和室内条件设置合理的边界条件。按照标准化要求执行这一路径能够有效提升分析结果的可靠性，进而为工程应用提供理论支撑。

该研究成果在实际应用当中具有重要价值。它能够为建筑节能设计提供更为精准的理论依据，举例来说，在对保温层厚度进行优化或者设计防潮构造的时候，通过热湿耦合分析能够避免因为依据单一指标进行决策而导致的性能失衡问题。除此之外，对热湿耦合传递机理进行研究还有助于预防因为湿分积聚而引发的结露、冻融破坏等情况，从而达到延长建筑使用寿命的目的。在绿色建筑和超低能耗建筑领域，基于热湿耦合传递机理的综合设计方法已经成为提升建筑性能的关键技术手段。本研究不但深化了人们对围护结构热湿传递规律的认知，而且为工程实践提供了具有可操作性的技术指导，对于推动建筑节能和可持续发展起到了积极作用。