胡思科，孟　帥，劉建宇

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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建筑墻體外圍護結構結露時的室外臨界溫度的確定

胡思科，孟帥，劉建宇

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：從建筑圍護結構發(fā)生結露現(xiàn)象的原理出發(fā)，在滿足熱舒適度等級要求的前提下，確定了我國幾個具有代表性區(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加貼不同厚度聚苯板保溫材料后，結構墻體不發(fā)生結露時的室外臨界溫度值，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)。

關鍵詞：建筑墻體；圍護結構；墻體結露；臨界溫度

結露現(xiàn)象是建筑圍護結構常見的問題之一。它的產生，除了會影響墻體表面的美觀和衛(wèi)生狀況外，更重要的是還會降低，甚至破壞墻體的保溫效果和結構性能，引發(fā)建筑能耗的增加。在我國能源消耗結構中，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，如何預測和防止其結露現(xiàn)象的發(fā)生將是建筑圍護結構設計中一個極為重要的工作。目前，盡管許多學者已對室內結露問題進行了定性分析[2-3]，但并未針對具體的結構形式進行相關的研究。對此，本文將從建筑圍護結構發(fā)生結露的原理出發(fā)，確定我國幾個具有代表性的地區(qū)在常見的粘土磚結構墻體、混凝土結構墻體以及分別在兩者外側加貼聚苯板保溫結構墻體發(fā)生結露時的室外臨界溫度，同時驗證采取外保溫措施的必要性。為工程設計計算及施工建立必要的理論依據(jù)，此外對于建筑領域，也應遵循低碳經濟背景下的節(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)化我國能源結構，保障我國能源安全[4]。

1圍護結構結露分析的依據(jù)

當圍護結構表面溫度低于相應壓力下的水蒸氣飽和溫度時即可發(fā)生冷凝現(xiàn)象；由于空氣中相對濕度的不同，導致圍護結構兩側表面水蒸氣分壓力不相等時，水蒸氣將從分壓力高的一側擴散至分壓力低的一側。然而，在以往的關于居民建筑室內露點的分析中，常依據(jù)文獻 [5]并在相對濕度為60%的狀態(tài)下求得不同溫度時的露點溫度，而沒有考慮在不同區(qū)域、冬季室內在不同相對濕度下存在內部結露的可能性。因此，這里將從這一點出發(fā)，首先探討在一定圍護結構的條件下，因室外氣溫變化達到室內表面結露的情形，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)典型建筑結構類型下不同室內溫度、濕度外墻不結露的室內相對濕度范圍。

表1　人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數(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，故在分析圍護結構結露時，將室內相對濕度范圍擴大為30%-80%之間。

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012，圍護結構內表面溫度計算公式為

(1)

移項得

(2)

式中：θi為圍護結構內表面溫度，℃；ti、te為室內、外計算溫度，℃；Ro、Ri為圍護結構導熱熱阻及其內表面對流傳熱熱阻，根據(jù)實用供熱空調設計手冊，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露問題，故這里應該用露點溫度td代替圍護結構的內表面溫度θi，故有

(3)

其中，露點溫度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不同外圍護結構下的熱工分析

2.1粘土磚圍護結構墻體

根據(jù)相關文獻[7-12]確定的不同地區(qū)現(xiàn)有粘土磚結構墻體，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?shù)囟臼彝庥嬎銣囟群投緲O限溫度下計算得到的不同墻體厚度、不同室內溫度條件下為防止結露所確定的對應室內相對濕度限度值，其計算結果及其變化規(guī)律如圖1-圖4和表2所示。

圖1 哈爾濱市粘土磚結構外墻室外臨界溫度圖2 北京市粘土磚結構外墻室外臨界溫度圖3 武漢市粘土磚結構外墻室外臨界溫度圖4 廣州市粘土磚結構外墻室外臨界溫度

表2　不同地區(qū)內表面結露室內相對濕度上限

圖5　室溫18 ℃時混凝土結構室外臨界溫度

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)，其冬季室外計算溫度和室外極限溫度下對應的室內不結露相對濕度的上限值，都將隨室內溫度的升高而降低，同時還將隨室外溫度的升高而升高，其具體數(shù)值如表2所示，從而也驗證了傳統(tǒng)粘土磚達不到保證室內不結露要求的事實。

2.2混凝土外圍護結構墻體

近些年，以混凝土為圍護結構的高層建筑在不斷崛起。根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010)、《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3-2010)中規(guī)定的主要技術指標現(xiàn)選擇混凝土結構不同的厚度，即200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，并以室內溫度為18℃為例計算，其不同厚度下墻體內表面結露時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，隨著室內相對濕度的增大和圍護結構厚度的增加，在相同濕度下，其內壁表面結露時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果。

3具有聚苯板外保溫圍護結構墻體

由文獻 [13]可知，圍護結構最小熱阻計算式

(5)

式中:Δt為室內空氣與圍護結構內表面之間允許溫差，對居住建筑、醫(yī)院和幼兒園，外墻結構取6 ℃；n為溫差修正系數(shù)，外墻取1.0。

根據(jù)圍護結構最大允許傳熱系數(shù)理論確定的最小熱阻[14]，混凝土基礎墻體并在室內為18 ℃時不同濕度下的聚苯板保溫層計算厚度如表3所示。

.　(6)

注：根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》(GB50176-1993)，當熱惰性D在1.6-4.0時，圍護結構類型為Ⅲ型。

表4　混凝土基礎墻體在室溫18℃時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)計算公式考慮到最低露點的情況計算最小熱阻。

是否考慮室內空氣的相對濕度，將直接影響到保溫層厚度的確定。由表4的計算結果可以看出，除相對濕度φ=60%時所計算保溫層厚度以外，φ=70%和φ=80%時所計算的厚度都將大于未考慮相對濕度影響時的厚度。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以計算其室外臨界溫度，即預防結露其計算室內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構墻體室外臨界溫度圖7 北京市聚苯板保溫結構墻體室外臨界溫度圖8 武漢市聚苯板保溫結構墻體室外臨界溫度圖9 廣州市聚苯板保溫結構墻體室外臨界溫度

對應于圖6-圖9，哈爾濱、北京、武漢和廣州地區(qū)不同室內溫度下，冬季室外計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)內表面結露室內相對濕度上限

1.基層墻體；2.粘結層；3.保溫層；4.抹面層；5.飾面層圖10　聚苯板外保溫結構

根據(jù)《外墻保溫建筑構造》(10J121)圖集，以及《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ26-2010)，對于基礎墻體為200 mm鋼筋混凝土墻體，層數(shù)≥9層建筑；嚴寒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算的平均傳熱系數(shù)，故大于采用最大傳熱系數(shù)法的計算厚度。由《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ 134-20100，武漢k=1.0 W/m2·K，選取40 mm(注意驗證隔熱)；由《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ 75-2003)考慮夏季隔熱。聚苯板外保溫結構及熱工性能參數(shù)見圖10和表6所示。

表6　聚苯板外保溫結構熱工參數(shù)

圖11　不同地區(qū)室外臨界溫度與室外計算溫度

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

4結語

根據(jù)建筑圍護結構發(fā)生結露現(xiàn)象的原因，對我國幾個具有代表性區(qū)域下幾種不同的建筑圍護結構進行了分析，有針對性的對傳統(tǒng)以及現(xiàn)有建筑維護結構提出了一些問題：首先，驗證了傳統(tǒng)粘土磚達不到保證室內不結露要求的事實；其次，針對預防結露，無論是多層建筑的粘土磚圍護結構還是高層建筑的混凝土圍護結構，其冬季室外計算溫度和室外極限溫度下對應的室內不結露相對濕度的上限值都將隨室內溫度的升高而降低，同時還將隨室外溫度的升高而升高，并給出具體對應數(shù)值。因此，這些結論為防止和解決建筑物圍護結構發(fā)生結露現(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：TU111.19+1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0023-06

作者簡介：胡思科(1958-)，男，湖南省常德市人，東北電力大學能源與動力工程學院教授，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