濕熱環(huán)境建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露特性研究

楊 岑，趙順安，李陸軍，宋小軍

（中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

1 研究背景

由于高溫高濕的特殊熱工環(huán)境，室內(nèi)游泳館和造紙工業(yè)廠房等建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象［1-2］。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面結(jié)露不僅會對建筑物內(nèi)部重要設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，且潮濕壁面上滋生的霉菌及其他有害微生物會破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的美觀性和工程耐久性，甚至嚴(yán)重影響室內(nèi)工作人員的身心健康。所以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計中需首要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的防結(jié)露問題。

為了研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露特性，學(xué)者們通過理論分析和數(shù)值模擬等方法展開研究。白麗等［3］基于一維傳熱理論，給出了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大允許傳熱系數(shù)的計算方法。魏文宇等［4］通過理論方法對比了籠罩式和分層式兩種空調(diào)氣流組織方式對游泳館圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻結(jié)露特性的影響，研究結(jié)果表明分層式氣流組織形式可以有效緩解結(jié)露問題。曾劍龍等［5］通過建立一維傳熱模型分析了游泳池的雙層ETFE膜結(jié)構(gòu)房頂?shù)慕Y(jié)露問題，并建議采用限制室內(nèi)相對濕度作為防止結(jié)露的工程措施。王美燕［6］通過理論計算分析了某游泳池的屋頂和外墻結(jié)構(gòu)的結(jié)露問題，并探討了不同保溫結(jié)構(gòu)的防結(jié)露效果。支軍等［7］分別通過傳熱理論計算和CFD數(shù)值模擬方法研究了游泳池圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的表面結(jié)露問題，并探討了限制室內(nèi)環(huán)境相對濕度解決結(jié)露問題的可行性。趙金輝［8］通過CFD數(shù)值模擬分析了室內(nèi)游泳館在不同運(yùn)行條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露特性，并建議采用貼附射流的通風(fēng)方式可以有效減小結(jié)露危害。上述研究成果對于室內(nèi)外環(huán)境與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)均選取定值［9-10］，并沒有考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境的耦合傳熱計算：對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，冬季取8.72 W/（m2·℃），夏季取8.75 W/（m2·℃）；對于直接與室外空氣直接接觸的外墻、屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)的外表面換熱系數(shù)，冬季取23.3 W/（m2·℃），夏季取18.6 W/（m2·℃）。由于室內(nèi)環(huán)境與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的對流換熱作用主要包含強(qiáng)制對流和自然對流兩個方面，當(dāng)室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)量較小時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面以自然對流為主，需耦合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)不能選取常用定值作為設(shè)計依據(jù)。

本文以某濕熱工業(yè)廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為研究對象，基于自然對流和熱傳導(dǎo)的一維傳熱理論，以及結(jié)露機(jī)理，分析該工業(yè)廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻在不同設(shè)計條件下的結(jié)露特性，并討論兩類防止結(jié)露措施的限值。

2 研究對象

2.1 墻體結(jié)構(gòu)本文主要考慮直接室外環(huán)境接觸的外墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)尺寸為寬38.64 m×高15.10 m×厚1.00 m；墻體為混凝土材質(zhì)，其在0℃～100℃溫度范圍的導(dǎo)熱系數(shù)為2.944 W/（m2·℃）。

2.2 室外環(huán)境不同設(shè)計工況條件下的室外環(huán)境參數(shù)如表1所示。

2.3 室內(nèi)環(huán)境通過空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)保證室內(nèi)環(huán)境溫度為25℃～35℃，室內(nèi)環(huán)境具有50 Pa～100 Pa的負(fù)壓，夏季的室內(nèi)相對濕度維持70%不變，冬季的室內(nèi)相對濕度不超過70%。

圖1 某工業(yè)廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置（單位：m）

表1 不同設(shè)計工況條件的室外環(huán)境參數(shù)

3 研究方法

本研究基于一維傳熱理論和結(jié)露機(jī)理，分析了不同設(shè)計工況條件下工業(yè)廠房外墻結(jié)構(gòu)的結(jié)露特性，并做了以下假定：（1）室內(nèi)空氣的溫度場和濕度場保持穩(wěn)定，且在整個室內(nèi)空間均勻分布，即室內(nèi)整個空間的空氣露點(diǎn)溫度為定值；（2）對于室內(nèi)外環(huán)境與圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻間的傳熱，忽略外墻結(jié)構(gòu)與室內(nèi)外環(huán)境的輻射換熱，僅考慮外墻結(jié)構(gòu)與室內(nèi)外環(huán)境的對流換熱以及外墻結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，如圖2所示。

3.1 傳熱理論本研究的傳熱計算主要涉及室外環(huán)境空氣與墻體外壁的對流換熱Φce、墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)Φd、以及室內(nèi)環(huán)境空氣與墻體內(nèi)壁的對流換熱Φci三個部分。

（1）室外環(huán)境空氣與墻體外壁的對流換熱。假定熱量由室外空氣向墻體外壁的傳遞為正向，則兩者之間的換熱量可表示為［11］：

式中：Φce為室外環(huán)境空氣與墻體外壁面之間的換熱量，W；αe為室外環(huán)境空氣和墻體外壁面間的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；θe為室外環(huán)境空氣干球溫度，℃；twe為墻體外壁表面溫度，℃；Ae為室外環(huán)境空氣與墻體外壁間的對流換熱面積，m2。

αe主要與室外環(huán)境風(fēng)速有關(guān)，可采用式（2）計算［12］：

式中：v為室外環(huán)境平均風(fēng)速，m/s。

（2）室內(nèi)環(huán)境空氣與墻體內(nèi)壁的對流換熱。假定熱量由墻體內(nèi)壁面向室內(nèi)環(huán)境傳遞為正向，則兩者之間的換熱量可表示為［11］：

圖2 室內(nèi)外環(huán)境與圍護(hù)外墻間的傳熱過程

式中：Φci為室內(nèi)環(huán)境空氣與墻體內(nèi)壁面之間的換熱量，W；αi為室內(nèi)環(huán)境空氣和墻體內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)，W（/m2·℃）；θi為室內(nèi)環(huán)境空氣干球溫度，℃；twi為墻體內(nèi)壁表面溫度，℃；Ai為室內(nèi)環(huán)境空氣墻體內(nèi)壁間的對流換熱面積，m2，且滿足Ai=Ae。

本文僅考慮室內(nèi)環(huán)境空氣與外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁間的自然對流換熱，兩者間的換熱系數(shù)αi可以通過式（4）進(jìn)行計算［11］：

式中：λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·℃）；g為重力加速度，m/s2；β為空氣體積膨脹系數(shù)，1/℃，均為空氣密度；Pr為空氣普蘭特數(shù)；ν為空氣運(yùn)動黏性系數(shù)，m2/s。

（3）墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。假定外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)由墻體外壁面向內(nèi)壁面?zhèn)鬟f為正向，其傳熱量可通過式（5）進(jìn)行計算：

式中：Φd為墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)的傳熱量，W；Rw為墻體熱阻，m2·℃/W；δw為墻體厚度，m，本文δw=1.00 m；λw為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·℃），本文λw=2.944W（/m·℃）；A為墻體結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的換熱面積，m2，且滿足A=Ai=Ae。

基于能量守恒定律，上述3種傳熱方式的傳熱量滿足熱量平衡條件，即：

將式（1）～式（5）代入式（6），可得到墻體內(nèi)壁表面溫度：

式中：k為室內(nèi)外環(huán)境與圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)間的綜合換熱系數(shù)，W（/m2·℃）。

由式（4）可知，墻體內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣間的自然對流換熱系數(shù)依賴于墻體內(nèi)壁面溫度，故采用迭代試算法求解式（7）計算外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度。

3.2 墻面結(jié)露的判別室內(nèi)外環(huán)境與外墻結(jié)構(gòu)僅存在熱量交換而不發(fā)生傳質(zhì)過程，故室內(nèi)環(huán)境空氣的含濕量保持不變。由圖3給出的空氣溫濕曲線中可以看出，室內(nèi)空氣含濕量不變條件下（等濕變化過程），當(dāng)空氣溫度降低時，其相對濕度增大，當(dāng)相對濕度高于100%時空氣會產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，此時的干球溫度稱為該狀態(tài)下空氣的露點(diǎn)溫度tdp。當(dāng)圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時，空氣中的水蒸氣就有一部分液化為水珠析出，且溫度降得越低，析出的水越多，此時外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面就發(fā)生了結(jié)露現(xiàn)象。反之，當(dāng)外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面溫度高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度時，外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面不會發(fā)生結(jié)露問題。工程實踐研究表明，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度1～2℃時可以有效避免結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生［13］，本研究為保證安全裕量，選擇2℃的控制冗余度作為空氣露點(diǎn)溫度。室內(nèi)環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度采用以下方法計算：

圖3 空氣溫濕

（1）空氣飽和水蒸氣壓力p″。濕空氣中水蒸氣的最大含量為飽和含量，相對應(yīng)的水蒸氣分壓力為飽和水蒸氣壓力，可按紀(jì)利公式計算［14］：

式中：p″t為濕空氣為t℃的飽和水蒸氣壓力，9.8×104Pa；t′為溫度為t℃空氣對應(yīng)的熱力學(xué)溫度值，K，t′=t+273.15。

（2）室內(nèi)空氣相對濕度φi。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境空氣干球溫度θi，濕球溫度τi，大氣壓pai時，φi由式（2）計算：

式中：φi為室內(nèi)空氣相對濕度，%；p″τi為室內(nèi)空氣濕球溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力，9.8×104Pa；p″θi為室內(nèi)空氣干球溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力，9.8×104Pa；pai為室內(nèi)環(huán)境的大氣壓，Pa。

室內(nèi)環(huán)境的空氣含濕量xi可由式（10）計算：

（3）室內(nèi)環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度tdpi?？諝獾穆饵c(diǎn)溫度應(yīng)滿足以下關(guān)系：

將式（10）代入式（11）有：

露點(diǎn)溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力利用式（8）有：

聯(lián)立求解式（12）和式（13）就可以計算室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，由于式（13）是隱式公式，故采用迭代試算法聯(lián)立求解。

4 墻面結(jié)露的計算結(jié)果分析及防護(hù)措施

4.1 外墻結(jié)構(gòu)的表面結(jié)露分析利用式（7）和式（12）～（13）分別計算不同工況條件下外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度和室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度。當(dāng)墻體內(nèi)壁面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時，工業(yè)廠房圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象；反之外墻結(jié)構(gòu)會發(fā)生結(jié)露問題。

圖4給出了正常工況條件下墻體內(nèi)壁面溫度隨環(huán)境風(fēng)速的變化。從圖中可以看出，夏季環(huán)境條件下，環(huán)境風(fēng)速對墻內(nèi)壁面溫度影響不顯著；冬季環(huán)境條件下，墻內(nèi)壁面溫度隨著環(huán)境風(fēng)速增大而略微降低，當(dāng)風(fēng)速從2m/s增至5m/s時，墻體內(nèi)壁面溫度降低的最大值僅為0.4℃。故后續(xù)分析假定室外對流換熱系數(shù)αe為定值，夏季采用v=2m/s對應(yīng)αe=20.63W/（m2·℃），冬季采用v=3.5m/s對應(yīng)αe=25.94W/（m2·℃）。

圖4 不同環(huán)境風(fēng)速對墻內(nèi)壁面溫度的影響（正常工況）

圖5給出了夏季環(huán)境條件下，外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度和室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度隨室內(nèi)環(huán)境溫度的變化規(guī)律，從圖5可以看出，外墻內(nèi)壁表面溫度均高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，故不會發(fā)生墻體結(jié)露現(xiàn)象。

圖6給出了冬季環(huán)境條件下，外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度和室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度隨室內(nèi)環(huán)境溫度的變化規(guī)律，從圖中可以看出，室內(nèi)空氣相對濕度低于30%時，工業(yè)廠房圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面均不會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。當(dāng)室內(nèi)空氣相對濕度高于30%時，外墻內(nèi)壁表面會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，且室內(nèi)環(huán)境的空氣溫度和相對濕度越大，外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的結(jié)露現(xiàn)象越容易產(chǎn)生。

圖5 夏季環(huán)境條件下的結(jié)露分析（φi=70%）

圖6 冬季環(huán)境條件下的結(jié)露分析

4.2 外墻結(jié)構(gòu)的防結(jié)露措施防止墻體發(fā)生結(jié)露的工程措施主要包含以下2種：一種是通過限制室內(nèi)空氣相對濕度來降低空氣露點(diǎn)溫度，以減小結(jié)露可能性；另一種是在工業(yè)廠房圍護(hù)墻體外側(cè)增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)，以提高墻體內(nèi)壁面溫度來防止墻體發(fā)生結(jié)露［15］。

（1）限制室內(nèi)相對濕度。圖7給出了冬季環(huán)境條件下室內(nèi)空氣相對濕度上限值的變化，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境相對濕度低于相應(yīng)上限值，可以有效防止墻體結(jié)露產(chǎn)生。從圖中可以看出，相對濕度上限值隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的增大而減小，但隨著室外環(huán)境溫度增大而增大（對于冬季室外環(huán)境溫度，正常＞安全＞校核）。降低室內(nèi)相對濕度的解決措施可采用增強(qiáng)通風(fēng)、限制室內(nèi)散濕量和采用冷凍除濕機(jī)等方法。

（2）增設(shè)外墻保溫結(jié)構(gòu)。工程實際中，對外墻采用保溫措施是抑制和消除結(jié)露最有效的方法。給定室內(nèi)環(huán)境條件下，室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度即為外墻內(nèi)壁面不發(fā)生結(jié)露的溫度下限值，通過傳熱計算可獲得外墻結(jié)構(gòu)需增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)的熱阻下限值。當(dāng)增設(shè)保溫材料結(jié)構(gòu)的熱阻高于其下限值時，就可有效避免圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。目前常用的保溫層材料有：聚氨酯、聚苯乙烯和石棉；保溫層結(jié)構(gòu)形式可分為內(nèi)保溫、外保溫和夾層三種類型。圖8給出了不同室內(nèi)相對濕度條件下，校核工況的保溫層熱阻下限值的變化，從圖8可以看出，保溫層熱阻下限值隨著室內(nèi)溫度和相對濕度的增加而增大。圖9給出了不同設(shè)計工況在室內(nèi)相對濕度為70%條件下保溫層熱阻下限值的變化，從圖9可以看出，保溫層熱阻下限值隨著室外環(huán)境溫度的增大而減小。

圖7 冬季環(huán)境條件下室內(nèi)相對濕度上限值

圖8 冬季環(huán)境條件下增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)熱阻的下限值（校核工況）

5 結(jié)論

圖9 冬季環(huán)境條件下增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)熱阻的下限值（φi=70%）

通過傳熱計算分析了不同室外氣象條件和室內(nèi)環(huán)境條件下空氣和墻體的傳熱特性，并分析了正常設(shè)計、安全設(shè)計和校核設(shè)計氣象條件下某工業(yè)廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，以及墻體內(nèi)壁表面結(jié)露情況。主要結(jié)論如下：（1）夏季環(huán)境條件，圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁表面溫度均高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，不會發(fā)生墻體結(jié)露現(xiàn)象；（2）冬季環(huán)境條件，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境空氣的相對濕度高于其上限值時，墻體內(nèi)壁面會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。在25℃～35℃室溫范圍內(nèi)，正常設(shè)計工況的相對濕度上限值為35%；安全設(shè)計工況的相對濕度上限值為32%，校核設(shè)計工況的相對濕度上限值為29%；（3）冬季環(huán)境條件，室內(nèi)環(huán)境空氣相對濕度較高時，要保證墻體內(nèi)壁表面不發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，需采取限制室內(nèi)環(huán)境相對濕度的措施或在外墻增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)且熱阻應(yīng)大于其下限值。

本文是在假定室內(nèi)外空氣溫度和濕度、以及外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁面溫度都均勻分布的前提下展開的，可用于工業(yè)廠房圍護(hù)外墻結(jié)構(gòu)的初步防結(jié)露設(shè)計。