楊 岑，趙順安，李陸軍，宋小軍

（中國水利水電科學研究院 水力學研究所，北京 100038）

1 研究背景

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

為了研究建筑圍護結構的結露特性，學者們通過理論分析和數值模擬等方法展開研究。白麗等［3］基于一維傳熱理論，給出了建筑圍護結構最大允許傳熱系數的計算方法。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氣流組織方式對游泳館圍護結構外墻結露特性的影響，研究結果表明分層式氣流組織形式可以有效緩解結露問題。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膜結構房頂的結露問題，并建議采用限制室內相對濕度作為防止結露的工程措施。王美燕［6］通過理論計算分析了某游泳池的屋頂和外墻結構的結露問題，并探討了不同保溫結構的防結露效果。支軍等［7］分別通過傳熱理論計算和CFD數值模擬方法研究了游泳池圍護結構內壁面的表面結露問題，并探討了限制室內環(huán)境相對濕度解決結露問題的可行性。趙金輝［8］通過CFD數值模擬分析了室內游泳館在不同運行條件下圍護結構的結露特性，并建議采用貼附射流的通風方式可以有效減小結露危害。上述研究成果對于室內外環(huán)境與建筑圍護結構內外表面的對流換熱系數均選取定值［9-10］，并沒有考慮結構內表面與室內環(huán)境的耦合傳熱計算：對于圍護結構內表面換熱系數，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、屋頂等圍護結構的外表面換熱系數，冬季取23.3 W/（m2·℃），夏季取18.6 W/（m2·℃）。由于室內環(huán)境與圍護結構內壁面的對流換熱作用主要包含強制對流和自然對流兩個方面，當室內空調通風量較小時，圍護結構內壁面以自然對流為主，需耦合考慮圍護結構內壁面溫度的影響，圍護結構內表面換熱系數不能選取常用定值作為設計依據。

本文以某濕熱工業(yè)廠房的圍護結構作為研究對象，基于自然對流和熱傳導的一維傳熱理論，以及結露機理，分析該工業(yè)廠房圍護結構外墻在不同設計條件下的結露特性，并討論兩類防止結露措施的限值。

2 研究對象

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

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

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

圖1 某工業(yè)廠房圍護結構布置（單位：m）

表1 不同設計工況條件的室外環(huán)境參數

3 研究方法

本研究基于一維傳熱理論和結露機理，分析了不同設計工況條件下工業(yè)廠房外墻結構的結露特性，并做了以下假定：（1）室內空氣的溫度場和濕度場保持穩(wěn)定，且在整個室內空間均勻分布，即室內整個空間的空氣露點溫度為定值；（2）對于室內外環(huán)境與圍護結構外墻間的傳熱，忽略外墻結構與室內外環(huán)境的輻射換熱，僅考慮外墻結構與室內外環(huán)境的對流換熱以及外墻結構的熱傳導，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、墻體結構內部的熱傳導Φd、以及室內環(huán)境空氣與墻體內壁的對流換熱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，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)境風速有關，可采用式（2）計算［12］：

式中：v為室外環(huán)境平均風速，m/s。

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

圖2 室內外環(huán)境與圍護外墻間的傳熱過程

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

本文僅考慮室內環(huán)境空氣與外墻結構內壁間的自然對流換熱，兩者間的換熱系數αi可以通過式（4）進行計算［11］：

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

（3）墻體結構內部的熱傳導。假定外墻結構內部熱傳導由墻體外壁面向內壁面?zhèn)鬟f為正向，其傳熱量可通過式（5）進行計算：

式中：Φd為墻體結構內部熱傳導的傳熱量，W；Rw為墻體熱阻，m2·℃/W；δw為墻體厚度，m，本文δw=1.00 m；λw為混凝土導熱系數，W（/m·℃），本文λw=2.944W（/m·℃）；A為墻體結構熱傳導的換熱面積，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），可得到墻體內壁表面溫度：

式中：k為室內外環(huán)境與圍護外墻結構間的綜合換熱系數，W（/m2·℃）。

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

3.2 墻面結露的判別室內外環(huán)境與外墻結構僅存在熱量交換而不發(fā)生傳質過程，故室內環(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，室內空氣含濕量不變條件下（等濕變化過程），當空氣溫度降低時，其相對濕度增大，當相對濕度高于100%時空氣會產生凝結現象，此時的干球溫度稱為該狀態(tài)下空氣的露點溫度tdp。當圍護外墻結構的內壁表面溫度低于室內空氣露點溫度時，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，此時外墻結構內表面就發(fā)生了結露現象。反之，當外墻結構內壁表面溫度高于室內空氣的露點溫度時，外墻結構內表面不會發(fā)生結露問題。工程實踐研究表明，當圍護結構溫度高于室內空氣露點溫度1～2℃時可以有效避免結露現象發(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溫度。室內環(huán)境空氣的露點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，相對應的水蒸氣分壓力為飽和水蒸氣壓力，可按紀利公式計算［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℃空氣對應的熱力學溫度值，K，t′=t+273.15。

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

室內環(huán)境的空氣含濕量xi可由式（10）計算：

（3）室內環(huán)境空氣的露點溫度tdpi?？諝獾穆饵c溫度應滿足以下關系：

將式（10）代入式（11）有：

露點溫度對應的飽和水蒸氣壓力利用式（8）有：

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

4 墻面結露的計算結果分析及防護措施

4.1 外墻結構的表面結露分析利用式（7）和式（12）～（13）分別計算不同工況條件下外墻結構內壁面溫度和室內空氣露點溫度。當墻體內壁面溫度低于空氣露點溫度時，工業(yè)廠房圍護外墻結構不會產生結露現象；反之外墻結構會發(fā)生結露問題。

圖4給出了正常工況條件下墻體內壁面溫度隨環(huán)境風速的變化。從圖中可以看出，夏季環(huán)境條件下，環(huán)境風速對墻內壁面溫度影響不顯著；冬季環(huán)境條件下，墻內壁面溫度隨著環(huán)境風速增大而略微降低，當風速從2m/s增至5m/s時，墻體內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αe為定值，夏季采用v=2m/s對應αe=20.63W/（m2·℃），冬季采用v=3.5m/s對應αe=25.94W/（m2·℃）。

圖4 不同環(huán)境風速對墻內壁面溫度的影響（正常工況）

圖5給出了夏季環(huán)境條件下，外墻結構內壁面溫度和室內空氣露點溫度隨室內環(huán)境溫度的變化規(guī)律，從圖5可以看出，外墻內壁表面溫度均高于室內空氣的露點溫度，故不會發(fā)生墻體結露現象。

圖6給出了冬季環(huán)境條件下，外墻結構內壁面溫度和室內空氣露點溫度隨室內環(huán)境溫度的變化規(guī)律，從圖中可以看出，室內空氣相對濕度低于30%時，工業(yè)廠房圍護外墻結構內表面均不會發(fā)生結露現象。當室內空氣相對濕度高于30%時，外墻內壁表面會發(fā)生結露現象，且室內環(huán)境的空氣溫度和相對濕度越大，外墻結構內壁面的結露現象越容易產生。

圖5 夏季環(huán)境條件下的結露分析（φi=70%）

圖6 冬季環(huán)境條件下的結露分析

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

（1）限制室內相對濕度。圖7給出了冬季環(huán)境條件下室內空氣相對濕度上限值的變化，當室內環(huán)境相對濕度低于相應上限值，可以有效防止墻體結露產生。從圖中可以看出，相對濕度上限值隨著室內環(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）。降低室內相對濕度的解決措施可采用增強通風、限制室內散濕量和采用冷凍除濕機等方法。

（2）增設外墻保溫結構。工程實際中，對外墻采用保溫措施是抑制和消除結露最有效的方法。給定室內環(huán)境條件下，室內空氣的露點溫度即為外墻內壁面不發(fā)生結露的溫度下限值，通過傳熱計算可獲得外墻結構需增設保溫結構的熱阻下限值。當增設保溫材料結構的熱阻高于其下限值時，就可有效避免圍護外墻結構內壁表面結露現象的產生。目前常用的保溫層材料有：聚氨酯、聚苯乙烯和石棉；保溫層結構形式可分為內保溫、外保溫和夾層三種類型。圖8給出了不同室內相對濕度條件下，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溫度和相對濕度的增加而增大。圖9給出了不同設計工況在室內相對濕度為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)境條件下室內相對濕度上限值

圖8 冬季環(huán)境條件下增設保溫結構熱阻的下限值（校核工況）

5 結論

圖9 冬季環(huán)境條件下增設保溫結構熱阻的下限值（φi=70%）

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

本文是在假定室內外空氣溫度和濕度、以及外墻結構內外壁面溫度都均勻分布的前提下展開的，可用于工業(yè)廠房圍護外墻結構的初步防結露設計。