摘要
相较于与实验室测试和现场测量，热湿气(HAM)耦合的数值模型可以更为高效地计算建筑部件的热湿响应(hygrothermal response)。然而，不同模型针对相同工况的预测结果可能存在差异。导致结果不准确甚至不正确的原因，主要在于各计算模型对物理现象及数值算法的复现存在局限性和差异性，也包括模型使用者在输入或选取材料属性、边界条件和其他因素时的偏好、偏见及错误。尽管开发者通常对模型的正确性进行验证(verification)，然而如果缺乏与实验数据集的对比，模型的有效性(validity)仍然存疑。目前，针对建筑部件热湿气(HAM)耦合模型的效度确认(validation)，仍然缺乏标准明确、记录完整并可供其他研究者重复使用的综合基准数据集。
为了解决这一问题，比利时鲁汶大学建筑物理与可持续性设计系采用热箱-冷箱(HB-CB)实验装置开展了专项基准实验，在准稳态边界条件下，对由硅酸钙板、矿棉、木纤维板和防潮铝箔四种材料以不同顺序构成的四组墙体进行了测试，监测各界面的温度、相对湿度、热流和各材料面板的含水量，同时测定表面传热传湿系数，并对材料热湿物理属性进行全尺度表征测试。这一综合基准数据集可供建筑部件热湿气耦合模型的效度确认：输入实测得到的材料热湿物理属性和表面传输系数后，将计算得到的热湿响应与实测值进行对比。数据集也可用于敏感性分析，以深入探究材料热湿物理属性的不确定性对热湿模拟预测结果的影响。
关键词：热湿气耦合；热湿响应；数据集；模型；模拟；效度确认
建筑部件在不同室内外环境条件下呈现各异的安全性、耐久性和韧性。对其热湿性能和材料退化过程的分析，除了采用实验室测试和现场测量之外，亦可采用高效便捷的热湿气耦合数值计算方法。
各模型具有几乎相同或可以等效转换的物理和数学关系，然而针对同个算例的计算结果可能存在差异，出现不准确和不正确的情形。主要原因在于各模型在算法特性、几何结构、材料属性和边界条件的设定(implementation)上采取了不同的假设、简化和近似。例如，材料的部分热湿物理属性无法直接测定，在对过程量进行推导和转化的过程中，不可避免地产生偏差。这些偏差将进一步影响对建筑部件热湿响应的预测结果。这意味着，尽管开发者对模型的正确性进行了验证，也无法保证模型可以有效、可靠地对真实世界的热湿传递进行复现(a valid and reliable reproduction)。
针对热湿气耦合模型(HAM models)的验证和确认(verification and validation)、模型间对比(inter-model comparison)和其它的可靠度分析缺乏统一标准，在方法和目标上可能出现混淆，既往基准算例在几何结构、材料属性和边界条件各不相同。
近年来，已有一些公开的基准数据集，被用于热湿气耦合模型的效度确认。然而它们存在共同或特定的不足，如仅选用单一材料，代表性有限，再如数据不完整(缺失材料热湿物理属性，或表面传热传湿系数，或热湿响应等)使结果无法重复等。
当然，要求一个基准数据集能够用于评估数值计算中所有不确定性因素是不现实的，因此需控制变量，逐步增加条件复杂度。本数据集基于实验室受控边界条件下的热湿传递过程，主要用于研究材料热湿物理属性的设定对热湿响应预测结果的影响。
本数据集提供了包括材料热湿物理属性、热湿响应温度、湿度、热流、水分量）和表面传热传湿系数的完整实验结果，为全面准确地进行模型的效度确认提供了可能。
数据集系比利时鲁汶大学建筑物理与可持续性设计系2023年发起的“稳态边界条件下建筑部件热湿响应计算的跨模型效度确认研究”选用的基准。该项目是全球范围内针对建筑部件热湿气耦合数值模拟的迄今最大规模的合作研究，是欧盟 EU HAMSTAD 及国际能源署 IEA Annex 24 等热湿传递相关研究的继续和拓展。来自19个国家的38个团队，采用多种模型复现实验结果。发起方对热湿响应的计算值进行组间对比，并与实测结果进行对比，深入地对各模型进行效度确认，并就热湿响应对材料热湿物理属性的敏感性进行专项研究。该数据集已完全公开，可供后续研究者重复使用。
图1 实验装置、墙体构造、材料组成、边界条件
（1）实验装置和过程
（2）实验结果和分析
作者
Xinyuan Dang*, Hans Janssen, Staf Roels
本文第一作者和通讯作者为比利时鲁汶大学建筑物理与可持续性设计系博士研究生党新元，共同作者为Hans Janssen教授和Staf Roels教授。作者团队从事“材料-部件-建筑体-建成环境”多尺度下建筑物理问题的研究，主持和开展建筑部件层级热湿响应的实验和数值模拟相关的前沿研究和国际合作，如欧盟 EU HAMSTAD、国际能源署 IEA Annex 24 及本数据集关联的“稳态边界条件下建筑部件热湿响应计算的跨模型效度确认研究”等项目。
Dang X, Janssen H, Roels S (2024). A comprehensive benchmark dataset for the validation of building component heat, air, and moisture (HAM) models. Building Simulation, 17: 1893–1907.
https://doi.org/10.1007/s12273-024-1176-8
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用于效度确认的建筑部件热湿气（HAM）耦合模型综合基准数据集
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2024年SCI影响因子6.1，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
