建筑墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露時(shí)的室外臨界溫度的確定

胡思科，孟　帥，劉建宇

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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建筑墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露時(shí)的室外臨界溫度的確定

胡思科，孟帥，劉建宇

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象的原理出發(fā)，在滿足熱舒適度等級(jí)要求的前提下，確定了我國幾個(gè)具有代表性區(qū)域常見的粘土磚多層建筑墻體、混凝土高層建筑墻體以及分別在兩種墻體外側(cè)加貼不同厚度聚苯板保溫材料后，結(jié)構(gòu)墻體不發(fā)生結(jié)露時(shí)的室外臨界溫度值，為防止和解決該現(xiàn)象的發(fā)生提供了必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：建筑墻體；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；墻體結(jié)露；臨界溫度

結(jié)露現(xiàn)象是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常見的問題之一。它的產(chǎn)生，除了會(huì)影響墻體表面的美觀和衛(wèi)生狀況外，更重要的是還會(huì)降低，甚至破壞墻體的保溫效果和結(jié)構(gòu)性能，引發(fā)建筑能耗的增加。在我國能源消耗結(jié)構(gòu)中，工業(yè)消耗、交通消耗與建筑消耗占我國每年能源消耗的絕大部分，其中以建筑消耗占量最多[1]。那么，如何預(yù)測和防止其結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生將是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要的工作。目前，盡管許多學(xué)者已對室內(nèi)結(jié)露問題進(jìn)行了定性分析[2-3]，但并未針對具體的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相關(guān)的研究。對此，本文將從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)露的原理出發(fā)，確定我國幾個(gè)具有代表性的地區(qū)在常見的粘土磚結(jié)構(gòu)墻體、混凝土結(jié)構(gòu)墻體以及分別在兩者外側(cè)加貼聚苯板保溫結(jié)構(gòu)墻體發(fā)生結(jié)露時(shí)的室外臨界溫度，同時(shí)驗(yàn)證采取外保溫措施的必要性。為工程設(shè)計(jì)計(jì)算及施工建立必要的理論依據(jù)，此外對于建筑領(lǐng)域，也應(yīng)遵循低碳經(jīng)濟(jì)背景下的節(jié)能減排，發(fā)展建筑新材料，開發(fā)新能源解決有助于優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，保障我國能源安全[4]。

1圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露分析的依據(jù)

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度低于相應(yīng)壓力下的水蒸氣飽和溫度時(shí)即可發(fā)生冷凝現(xiàn)象；由于空氣中相對濕度的不同，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面水蒸氣分壓力不相等時(shí)，水蒸氣將從分壓力高的一側(cè)擴(kuò)散至分壓力低的一側(cè)。然而，在以往的關(guān)于居民建筑室內(nèi)露點(diǎn)的分析中，常依據(jù)文獻(xiàn) [5]并在相對濕度為60%的狀態(tài)下求得不同溫度時(shí)的露點(diǎn)溫度，而沒有考慮在不同區(qū)域、冬季室內(nèi)在不同相對濕度下存在內(nèi)部結(jié)露的可能性。因此，這里將從這一點(diǎn)出發(fā)，首先探討在一定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的條件下，因室外氣溫變化達(dá)到室內(nèi)表面結(jié)露的情形，然后依據(jù)表1所給出的熱舒適度條件，確定在不同地區(qū)典型建筑結(jié)構(gòu)類型下不同室內(nèi)溫度、濕度外墻不結(jié)露的室內(nèi)相對濕度范圍。

表1　人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)[6]

由表1可知，盡管其相對濕度大于30%，但考慮到如衛(wèi)生間、廚房等具有較高濕度的環(huán)境，故在分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露時(shí)，將室內(nèi)相對濕度范圍擴(kuò)大為30%-80%之間。

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度計(jì)算公式為

(1)

移項(xiàng)得

(2)

式中：θi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；ti、te為室內(nèi)、外計(jì)算溫度，℃；Ro、Ri為圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻及其內(nèi)表面對流傳熱熱阻，根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊，對墻、地面、表面平整的頂棚、屋蓋或樓板以及帶肋的頂棚，Ri取0.11m2·K/W。

由于研究的是壁面結(jié)露問題，故這里應(yīng)該用露點(diǎn)溫度td代替圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度θi，故有

(3)

其中，露點(diǎn)溫度td可根據(jù)相對濕度基本公式確定：

(4)

式中：pv、ps分別表示濕蒸氣實(shí)際水蒸氣分壓力和同溫度下飽和水蒸氣壓力，Pa。

2不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的熱工分析

2.1粘土磚圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7-12]確定的不同地區(qū)現(xiàn)有粘土磚結(jié)構(gòu)墻體，哈爾濱取490 mm墻體，北京取370 mm墻體，武漢及廣州取240 mm墻體，以當(dāng)?shù)囟臼彝庥?jì)算溫度和冬季極限溫度下計(jì)算得到的不同墻體厚度、不同室內(nèi)溫度條件下為防止結(jié)露所確定的對應(yīng)室內(nèi)相對濕度限度值，其計(jì)算結(jié)果及其變化規(guī)律如圖1-圖4和表2所示。

圖1 哈爾濱市粘土磚結(jié)構(gòu)外墻室外臨界溫度圖2 北京市粘土磚結(jié)構(gòu)外墻室外臨界溫度圖3 武漢市粘土磚結(jié)構(gòu)外墻室外臨界溫度圖4 廣州市粘土磚結(jié)構(gòu)外墻室外臨界溫度

表2　不同地區(qū)內(nèi)表面結(jié)露室內(nèi)相對濕度上限

圖5　室溫18 ℃時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)室外臨界溫度

由圖1-圖4的分析可以直觀看出，無論是在哈爾濱，還是在北京、武漢、廣州地區(qū)，其冬季室外計(jì)算溫度和室外極限溫度下對應(yīng)的室內(nèi)不結(jié)露相對濕度的上限值，都將隨室內(nèi)溫度的升高而降低，同時(shí)還將隨室外溫度的升高而升高，其具體數(shù)值如表2所示，從而也驗(yàn)證了傳統(tǒng)粘土磚達(dá)不到保證室內(nèi)不結(jié)露要求的事實(shí)。

2.2混凝土外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體

近些年，以混凝土為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高層建筑在不斷崛起。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)中規(guī)定的主要技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)選擇混凝土結(jié)構(gòu)不同的厚度，即200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，并以室內(nèi)溫度為18℃為例計(jì)算，其不同厚度下墻體內(nèi)表面結(jié)露時(shí)的室外溫度的臨界值變化規(guī)律如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著室內(nèi)相對濕度的增大和圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，在相同濕度下，其內(nèi)壁表面結(jié)露時(shí)的室外溫度的臨界值將隨墻體厚度的增加而降低，即墻體越厚則越不易結(jié)露，這是由于隨著墻體厚度的增加其蒸氣滲透阻力不斷增加的結(jié)果。

3具有聚苯板外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體

由文獻(xiàn) [13]可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻計(jì)算式

(5)

式中:Δt為室內(nèi)空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間允許溫差，對居住建筑、醫(yī)院和幼兒園，外墻結(jié)構(gòu)取6 ℃；n為溫差修正系數(shù)，外墻取1.0。

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大允許傳熱系數(shù)理論確定的最小熱阻[14]，混凝土基礎(chǔ)墻體并在室內(nèi)為18 ℃時(shí)不同濕度下的聚苯板保溫層計(jì)算厚度如表3所示。

.　(6)

注：根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-1993)，當(dāng)熱惰性D在1.6-4.0時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型為Ⅲ型。

表4　混凝土基礎(chǔ)墻體在室溫18℃時(shí)不利條件下折算的保溫層厚度

注：其中R為最大允許傳熱系數(shù)計(jì)算公式考慮到最低露點(diǎn)的情況計(jì)算最小熱阻。

是否考慮室內(nèi)空氣的相對濕度，將直接影響到保溫層厚度的確定。由表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，除相對濕度φ=60%時(shí)所計(jì)算保溫層厚度以外，φ=70%和φ=80%時(shí)所計(jì)算的厚度都將大于未考慮相對濕度影響時(shí)的厚度。若將未考慮相對濕度影響下所確定的保溫層厚度，如哈爾濱、北京、武漢和廣州地區(qū)折合保溫層厚度分別選取聚苯板保溫層25 mm、11 mm、7 mm、0 mm以計(jì)算其室外臨界溫度，即預(yù)防結(jié)露其計(jì)算室內(nèi)相對濕度控制范圍如圖6-圖9所示。

圖6 哈爾濱市聚苯板保溫結(jié)構(gòu)墻體室外臨界溫度圖7 北京市聚苯板保溫結(jié)構(gòu)墻體室外臨界溫度圖8 武漢市聚苯板保溫結(jié)構(gòu)墻體室外臨界溫度圖9 廣州市聚苯板保溫結(jié)構(gòu)墻體室外臨界溫度

對應(yīng)于圖6-圖9，哈爾濱、北京、武漢和廣州地區(qū)不同室內(nèi)溫度下，冬季室外計(jì)算溫度下相對濕度上限和冬季室外極端溫度下與相對濕度上限的具體數(shù)值如表5所示。

表5　不同地區(qū)內(nèi)表面結(jié)露室內(nèi)相對濕度上限

1.基層墻體；2.粘結(jié)層；3.保溫層；4.抹面層；5.飾面層圖10　聚苯板外保溫結(jié)構(gòu)

根據(jù)《外墻保溫建筑構(gòu)造》(10J121)圖集，以及《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ26-2010)，對于基礎(chǔ)墻體為200 mm鋼筋混凝土墻體，層數(shù)≥9層建筑；嚴(yán)寒B區(qū)哈爾濱傳熱系數(shù)限值k=0.55 W/m2·K，選取80 mm聚苯板；寒冷B區(qū)北京k=0.70 W/m2·K，選取60 mm聚苯板；由于給出的傳熱系數(shù)限值是考慮了熱橋而計(jì)算的平均傳熱系數(shù)，故大于采用最大傳熱系數(shù)法的計(jì)算厚度。由《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134-20100，武漢k=1.0 W/m2·K，選取40 mm(注意驗(yàn)證隔熱)；由《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 75-2003)考慮夏季隔熱。聚苯板外保溫結(jié)構(gòu)及熱工性能參數(shù)見圖10和表6所示。

表6　聚苯板外保溫結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

圖11　不同地區(qū)室外臨界溫度與室外計(jì)算溫度

從圖11的計(jì)算結(jié)果可以看出，廣州地區(qū)室外臨界溫度線簇與該地區(qū)冬季室外計(jì)算溫度線有交點(diǎn)，即在室內(nèi)較高濕度情況下會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象；除廣州外，其他地區(qū)曲線簇與直線沒有交點(diǎn)，墻體內(nèi)表面溫度均超過露點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)表面結(jié)露情況。

4結(jié)語

根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象的原因，對我國幾個(gè)具有代表性區(qū)域下幾種不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，有針對性的對傳統(tǒng)以及現(xiàn)有建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)提出了一些問題：首先，驗(yàn)證了傳統(tǒng)粘土磚達(dá)不到保證室內(nèi)不結(jié)露要求的事實(shí)；其次，針對預(yù)防結(jié)露，無論是多層建筑的粘土磚圍護(hù)結(jié)構(gòu)還是高層建筑的混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其冬季室外計(jì)算溫度和室外極限溫度下對應(yīng)的室內(nèi)不結(jié)露相對濕度的上限值都將隨室內(nèi)溫度的升高而降低，同時(shí)還將隨室外溫度的升高而升高，并給出具體對應(yīng)數(shù)值。因此，這些結(jié)論為防止和解決建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象提供了必要的理論依據(jù)。

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The Determination of Outdoor Critical Temperature When Condensation in Building External Envelope Occurred

HU Si-ke，MENG Shuai，LIU Jian-yu

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：According to the the theory of condensation in building envelope，under the premise of meeting the requirements of thermal comfort level，the outdoor critical temperature value was determined when wall structures without condensation.The common structures were chosen in several representative regions of our country，including brick multistory buildings，concrete high-rise buildings and both affixed with different thicknesses polystyrene board insulation materials.It is aiming at providing necessary theoretical basis to prevent and solve the phenomenon.

Key words：Building wall；Envelope；Wall condensation；Critical temperature

中圖分類號(hào)：TU111.19+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0023-06

作者簡介：胡思科(1958-)，男，湖南省常德市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向：電站系統(tǒng)及供熱工程.

收稿日期：2015-12-10