宿州地區(qū)氣候潮濕強度指標(biāo)特征研究

錢耀輝 程海峰 張舉

1安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

2安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院教育部建筑能效控制與評估工程研究中心

0 引言

我國夏熱冬冷地區(qū)，全年濕度大是該地區(qū)氣候的一個顯著特征，年平均相對濕度70%～80%左右，有時高達(dá)95%～100%[1]。在空調(diào)冷負(fù)荷的組成中新風(fēng)冷負(fù)荷占有較大的比例，文獻(xiàn)[2]研究表明節(jié)能住宅單位建筑面積夏季新風(fēng)冷負(fù)荷占29.61%，夏季新風(fēng)用電量占44.54%，新風(fēng)全年采暖空調(diào)除濕用的電量占40.24%，文獻(xiàn)[3-4]表明除濕的能耗要占到空調(diào)總能耗20%～40%，其中通風(fēng)引起的濕負(fù)荷占總濕負(fù)荷的68%。Shijun You，Wenqingping Li，Tianzhen Ye[5]等人研究了高濕氣候下建筑內(nèi)表面水汽凝結(jié)的特征。Giacomo Zonno Rafael Aguilar[6]等人連續(xù)監(jiān)測分析了溫度和濕度對土坯建筑結(jié)構(gòu)性能的影響。

目前研究多針對氣候潮濕對建筑性能產(chǎn)生不良影響，對全年建筑潮濕程度年分布特征與變化規(guī)律研究較少。本文以宿州地區(qū)為例以近30年（1989～2018）逐時氣象參數(shù)為計算依據(jù)，結(jié)合室內(nèi)熱濕環(huán)境研究該地區(qū)建筑物的結(jié)露程度分布特征，提出判定建筑潮濕強度指標(biāo)。

1 典型氣象年溫濕度參數(shù)的統(tǒng)計

本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]中對典型氣象年的定義通過采集宿州地區(qū)近30年逐日溫濕度氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，從近10年的參數(shù)中選取一年各月接近30年的平均值作為典型氣象年具體方法如下：

①采集近30年（1989～2018年）氣象參數(shù)溫濕度具體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

②將逐年氣象資料溫度、相對濕度按逐月求出平均值。

③將逐年逐月平均值對30年該月求出平均值。

④將求得的溫濕度均值與近十年對應(yīng)的月平均值對比選取最接近的某月作為典型氣象月。

⑤典型氣象月構(gòu)成典型氣象年。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的潮濕氣候簡便性判別指標(biāo)月平均相對濕度超過70%為潮濕月，連續(xù)三個潮濕月構(gòu)成潮濕季節(jié)，從表1中可以看出宿州地區(qū)月平均相對濕度均大于60%，且一年內(nèi)數(shù)值較穩(wěn)定，月平均絕對濕度數(shù)值變化較大。7月、8月、9月持續(xù)平均相對濕度大于70%，且8月出現(xiàn)極大值接近80%。7月，8月，9月為潮濕月，且7、8月建筑潮濕生霉概率高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地面結(jié)露概率大，8月更加嚴(yán)重。

表1 宿州地區(qū)典型氣象年月平均溫濕度統(tǒng)計表

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露計算研究

室外空氣高溫高濕且接近飽和狀態(tài)，在自然通風(fēng)條件下室外空氣進(jìn)入室內(nèi)影響室內(nèi)熱濕環(huán)境，室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱惰性大當(dāng)溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度時，表面冷凝結(jié)露出現(xiàn)水珠。宿州地區(qū)夏熱冬冷，考慮實際生活習(xí)性，除冬季門窗緊閉取暖，春、夏、秋均在自然通風(fēng)工況下。本文研究自然通風(fēng)工況下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露特性。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

本文只考慮直接與室外環(huán)境接觸的外墻結(jié)構(gòu)，具體的計算參數(shù)參考《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計參數(shù)[9]如表2：

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

2.2 室內(nèi)外熱濕環(huán)境參數(shù)

建筑在空調(diào)工況下不僅能消除顯熱負(fù)荷還能夠達(dá)到除濕的目的，因此為了更好的反應(yīng)在宿州地區(qū)特有的氣候條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)潮濕的分布特征，本文只研究自然通風(fēng)工況（除12月、1月、2月）。室外計算參數(shù)由上述典型氣象年溫濕度參數(shù)統(tǒng)計后得出，室內(nèi)逐日溫度根據(jù)下式計算得出：

式中：Ti為室內(nèi)逐日計算溫度，℃；Tw為室外自然通風(fēng)期逐日平均溫度，℃。

室內(nèi)逐日相對濕度值Φi近似等于室外逐日相對濕度值Φw。當(dāng)室內(nèi)溫濕度數(shù)值已知，可根據(jù)下式[10]先計算室內(nèi)空氣水蒸氣分壓力：

式中：Pa為空氣水蒸氣分壓力；Φi為室內(nèi)空氣逐日相對濕度；Ti為室內(nèi)空氣逐日溫度。

再由下式[11]計算對應(yīng)的露點溫度：

式中：a=lnPa；P=Pa/1000；T1為對應(yīng)的逐日露點溫度。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度計算

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度時，空氣中的水蒸氣一部分會冷凝成水珠在壁面析出，溫度越低析出的水越多，圍護(hù)結(jié)構(gòu)越潮濕。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度T2計算如下式[12]：

式中：T2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的逐日內(nèi)壁面溫度，℃；Ri為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面熱阻，m2·K/W；Rw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁面熱阻，m2·K/W。具體取值如表2。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露計算結(jié)果分析

利用式（1）～（3）分別計算3～11月自然通風(fēng)期圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面逐日溫度和對應(yīng)露點溫度。當(dāng)ΔT=T2-T1≤0時壁面結(jié)露，ΔT越大結(jié)露強度越大。計算后結(jié)果用Origin數(shù)據(jù)處理軟件分析情況如圖1～圖3。

圖1 宿州地區(qū)3～5月圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逐日結(jié)露情況

從圖1～圖3可以看出宿州地區(qū)3～11月圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面出現(xiàn)結(jié)露的時間，持續(xù)的程度以及結(jié)露的強度特征分布，具體結(jié)論如下：該地區(qū)自然通風(fēng)期各月均出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，3～11月共結(jié)露61天，7月、8月結(jié)露天數(shù)最多均為12天，5月最少出現(xiàn)4天，且8月上旬出現(xiàn)連續(xù)結(jié)露5天的極端情況。結(jié)露潮濕強度各月出現(xiàn)不均勻的波動性變化，結(jié)露強度大于2 ℃有11天，8月、9月極小值出現(xiàn)頻率大逐日結(jié)露強度小，10月下旬極大值出現(xiàn)頻率高逐日結(jié)露強度大。

圖2 宿州地區(qū)6～8月圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逐日結(jié)露情況

圖3 宿州地區(qū)9～11月圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逐日結(jié)露情況

4 宿州地區(qū)氣候潮濕指標(biāo)的判定

本文通過以典型氣象年自然通風(fēng)工況下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露為判定特征指標(biāo)，定義結(jié)露基數(shù)Tj（室外逐日平均干球溫度Tw-室外逐日露點溫度Td），從結(jié)露強度以及結(jié)露天數(shù)的分布規(guī)律結(jié)合室外氣象參數(shù)特征對比分析。如圖4～6所示。

由圖4～圖6可以看出圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露強度與室外結(jié)露基數(shù)在不結(jié)露情況下各月逐日變化趨勢一致，且呈正比例變化。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露情況下，不成正比，結(jié)露強度越大室外溫度基數(shù)越小，當(dāng)結(jié)露基數(shù)低于某一數(shù)值時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面開始結(jié)露。利用origin軟件統(tǒng)計擬合圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露工況下結(jié)露程度與室外溫度基數(shù)關(guān)系式如圖7所示。

圖4 宿州地區(qū)3～5月溫度基數(shù)與室內(nèi)結(jié)露對比圖

圖5 宿州地區(qū)6～8月溫度基數(shù)與室內(nèi)結(jié)露對比圖

圖6 宿州地區(qū)9～11月溫度基數(shù)與室內(nèi)結(jié)露對比圖

圖7 宿州地區(qū)室外結(jié)露基數(shù)與室內(nèi)壁面結(jié)露程度擬合曲線圖

由圖7可知橫坐標(biāo)表示室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露工況，縱坐標(biāo)表示室外干球溫度與露點溫度的差值。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度時內(nèi)表面開始結(jié)露，此時對應(yīng)一個室外結(jié)露基數(shù)值。擬合結(jié)果具體如下：

式（5）可知當(dāng)T2-T1=0時室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面開始結(jié)露，此時結(jié)露基數(shù)值Tj=3.260 ℃，取整數(shù)Tj=4。因此本文提出判定潮濕強度指標(biāo)定義如下：全年侯逐日干球溫度與對應(yīng)的逐日露點溫度的差值低于4 ℃的溫度度數(shù)被1天整除，再將逐日該值累加，結(jié)果越小表明氣候潮濕強度越小，結(jié)果越大表明氣候潮濕強度越大。

5 宿州地區(qū)氣候潮濕情況統(tǒng)計分析

根據(jù)上述指標(biāo)，選取宿州地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析該地區(qū)氣候潮濕情況如表3所示：

表3 宿州地區(qū)各月潮濕強度統(tǒng)計表

圖8 宿州地區(qū)季節(jié)潮濕持續(xù)程度分布圖

圖9 宿州地區(qū)季節(jié)潮濕強度占比

由表3及圖8、9可以看出宿州地區(qū)全年潮濕強度與潮濕持續(xù)程度均呈現(xiàn)季節(jié)性變化，全年氣候潮濕強度冬季出現(xiàn)極小值7.84 d/℃，全年占比18%，春秋季節(jié)差異不大，夏季氣候潮濕強度出現(xiàn)極大值達(dá)到15.31 d/℃，全年占比35%。潮濕持續(xù)程度春季最小出現(xiàn)18天，夏季最大出現(xiàn)38天。四季潮濕強度指標(biāo)值與潮濕持續(xù)程度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。全年各月中7月潮濕強度最大，2月潮濕強度最小。全年潮濕強度達(dá)到43.35 d/℃。

5.1 宿州地區(qū)近30年氣候潮濕變化分布規(guī)律

如圖10可看出近30年宿州地區(qū)潮濕強度出現(xiàn)不均勻波動性變化，且年間波動隨機性較大，極值情況出現(xiàn)頻繁，分別在2003年、2013年出現(xiàn)極大值極小值。近10年潮濕強度極值波動幅度大，相比較前20年潮濕強度均值下降16%，表明宿州地區(qū)氣候有偏干燥的趨勢。

圖10 宿州地區(qū)1989～2018年潮濕強度變化趨勢

6 結(jié)論

1）宿州地區(qū)月平均相對濕度均大于60%，月平均絕對濕度數(shù)值變化較大。7月、8月、9月持續(xù)平均相對濕度大于70%，且8月出現(xiàn)極大值接近80%。

2）宿州地區(qū)自然通風(fēng)期（3～11月）各月均出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，3～11月共結(jié)露61天，7月、8月結(jié)露天數(shù)最多均為12天，5月最少出現(xiàn)4天，且8月上旬出現(xiàn)連續(xù)結(jié)露5天的極端情況。結(jié)露程度各月出現(xiàn)不均勻的波動性變化，結(jié)露程度大于2 ℃有11天，8月、9月極小值出現(xiàn)頻率大逐日結(jié)露強度小，10月下旬極大值出現(xiàn)頻率高逐日結(jié)露強度大。

3）以典型氣象年自然通風(fēng)工況下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露為判定特征指標(biāo)，定義了結(jié)露溫度基數(shù)：在室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面開始結(jié)露條件下對應(yīng)室外逐日干球溫度與露點溫度的差值稱為結(jié)露基數(shù)。

4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露程度與室外結(jié)露基數(shù)在不結(jié)露情況下各月逐日變化趨勢一致，呈正比例變化。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露情況下，不成正比，結(jié)露程度越大結(jié)露基數(shù)越小，當(dāng)結(jié)露的基數(shù)低于4 ℃時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面開始了結(jié)露。

5）提出判定潮濕強度指標(biāo)定義如下：室外逐日干球溫度與露點溫度的差值低于結(jié)露溫度基數(shù)時，其差值倒數(shù)的累加值為潮濕強度值，結(jié)果越小表明氣候潮濕強度越小，結(jié)果越大表明氣候潮濕強度越大。

6）宿州地區(qū)全年潮濕強度與潮濕持續(xù)程度均呈現(xiàn)季節(jié)性變化，全年氣候潮濕強度冬季出現(xiàn)極小值7.84 d/℃，全年占比18%，春秋季節(jié)差異不大，夏季氣候潮濕強度出現(xiàn)極大值達(dá)到15.31 d/℃，全年占比35%。潮濕持續(xù)程度春季最小出現(xiàn)18天，夏季最大出現(xiàn)38天。四季潮濕強度指標(biāo)值與潮濕持續(xù)程度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。全年各月中7月潮濕強度最大，2月潮濕強度最小。全年潮濕強度達(dá)到43.35 d/℃。

7）近30年宿州地區(qū)潮濕強度出現(xiàn)不均勻波動性變化，且年間波動隨機性較大，極值情況出現(xiàn)頻繁，分別在2003年、2013年出現(xiàn)極大值極小值。近10年潮濕強度極值波動幅度大，相比較前20年潮濕強度均值下降16%，表明宿州地區(qū)氣候有偏干燥的趨勢。