湿热环境建筑围护结构的结露特性研究

杨 岑，赵顺安，李陆军，宋小军

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

1 研究背景

由于高温高湿的特殊热工环境，室内游泳馆和造纸工业厂房等建筑的围护结构内壁表面易产生结露现象［1-2］。围护结构的表面结露不仅会对建筑物内部重要设备的正常运行产生不利影响，且潮湿壁面上滋生的霉菌及其他有害微生物会破坏围护结构的美观性和工程耐久性，甚至严重影响室内工作人员的身心健康。所以建筑围护结构热工设计中需首要考虑围护结构表面的防结露问题。

为了研究建筑围护结构的结露特性，学者们通过理论分析和数值模拟等方法展开研究。白丽等［3］基于一维传热理论，给出了建筑围护结构最大允许传热系数的计算方法。魏文宇等［4］通过理论方法对比了笼罩式和分层式两种空调气流组织方式对游泳馆围护结构外墙结露特性的影响，研究结果表明分层式气流组织形式可以有效缓解结露问题。曾剑龙等［5］通过建立一维传热模型分析了游泳池的双层ETFE膜结构房顶的结露问题，并建议采用限制室内相对湿度作为防止结露的工程措施。王美燕［6］通过理论计算分析了某游泳池的屋顶和外墙结构的结露问题，并探讨了不同保温结构的防结露效果。支军等［7］分别通过传热理论计算和CFD数值模拟方法研究了游泳池围护结构内壁面的表面结露问题，并探讨了限制室内环境相对湿度解决结露问题的可行性。赵金辉［8］通过CFD数值模拟分析了室内游泳馆在不同运行条件下围护结构的结露特性，并建议采用贴附射流的通风方式可以有效减小结露危害。上述研究成果对于室内外环境与建筑围护结构内外表面的对流换热系数均选取定值［9-10］，并没有考虑结构内表面与室内环境的耦合传热计算：对于围护结构内表面换热系数，冬季取8.72 W/（m2·℃），夏季取8.75 W/（m2·℃）；对于直接与室外空气直接接触的外墙、屋顶等围护结构的外表面换热系数，冬季取23.3 W/（m2·℃），夏季取18.6 W/（m2·℃）。由于室内环境与围护结构内壁面的对流换热作用主要包含强制对流和自然对流两个方面，当室内空调通风量较小时，围护结构内壁面以自然对流为主，需耦合考虑围护结构内壁面温度的影响，围护结构内表面换热系数不能选取常用定值作为设计依据。

本文以某湿热工业厂房的围护结构作为研究对象，基于自然对流和热传导的一维传热理论，以及结露机理，分析该工业厂房围护结构外墙在不同设计条件下的结露特性，并讨论两类防止结露措施的限值。

2 研究对象

2.1 墙体结构本文主要考虑直接室外环境接触的外墙结构，如图1所示，其结构尺寸为宽38.64 m×高15.10 m×厚1.00 m；墙体为混凝土材质，其在0℃～100℃温度范围的导热系数为2.944 W/（m2·℃）。

2.2 室外环境不同设计工况条件下的室外环境参数如表1所示。

2.3 室内环境通过空调通风系统保证室内环境温度为25℃～35℃，室内环境具有50 Pa～100 Pa的负压，夏季的室内相对湿度维持70%不变，冬季的室内相对湿度不超过70%。

图1 某工业厂房围护结构布置（单位：m）

表1 不同设计工况条件的室外环境参数

3 研究方法

本研究基于一维传热理论和结露机理，分析了不同设计工况条件下工业厂房外墙结构的结露特性，并做了以下假定：（1）室内空气的温度场和湿度场保持稳定，且在整个室内空间均匀分布，即室内整个空间的空气露点温度为定值；（2）对于室内外环境与围护结构外墙间的传热，忽略外墙结构与室内外环境的辐射换热，仅考虑外墙结构与室内外环境的对流换热以及外墙结构的热传导，如图2所示。

3.1 传热理论本研究的传热计算主要涉及室外环境空气与墙体外壁的对流换热Φce、墙体结构内部的热传导Φd、以及室内环境空气与墙体内壁的对流换热Φci三个部分。

（1）室外环境空气与墙体外壁的对流换热。假定热量由室外空气向墙体外壁的传递为正向，则两者之间的换热量可表示为［11］：

式中：Φce为室外环境空气与墙体外壁面之间的换热量，W；αe为室外环境空气和墙体外壁面间的对流换热系数，W/（m2·℃）；θe为室外环境空气干球温度，℃；twe为墙体外壁表面温度，℃；Ae为室外环境空气与墙体外壁间的对流换热面积，m2。

αe主要与室外环境风速有关，可采用式（2）计算［12］：

式中：v为室外环境平均风速，m/s。

（2）室内环境空气与墙体内壁的对流换热。假定热量由墙体内壁面向室内环境传递为正向，则两者之间的换热量可表示为［11］：

图2 室内外环境与围护外墙间的传热过程

式中：Φci为室内环境空气与墙体内壁面之间的换热量，W；αi为室内环境空气和墙体内壁面的对流换热系数，W（/m2·℃）；θi为室内环境空气干球温度，℃；twi为墙体内壁表面温度，℃；Ai为室内环境空气墙体内壁间的对流换热面积，m2，且满足Ai=Ae。

本文仅考虑室内环境空气与外墙结构内壁间的自然对流换热，两者间的换热系数αi可以通过式（4）进行计算［11］：

式中：λa为空气导热系数，W（/m·℃）；g为重力加速度，m/s2；β为空气体积膨胀系数，1/℃，均为空气密度；Pr为空气普兰特数；ν为空气运动黏性系数，m2/s。

（3）墙体结构内部的热传导。假定外墙结构内部热传导由墙体外壁面向内壁面传递为正向，其传热量可通过式（5）进行计算：

式中：Φd为墙体结构内部热传导的传热量，W；Rw为墙体热阻，m2·℃/W；δw为墙体厚度，m，本文δw=1.00 m；λw为混凝土导热系数，W（/m·℃），本文λw=2.944W（/m·℃）；A为墙体结构热传导的换热面积，m2，且满足A=Ai=Ae。

基于能量守恒定律，上述3种传热方式的传热量满足热量平衡条件，即：

将式（1）～式（5）代入式（6），可得到墙体内壁表面温度：

式中：k为室内外环境与围护外墙结构间的综合换热系数，W（/m2·℃）。

由式（4）可知，墙体内壁面与室内空气间的自然对流换热系数依赖于墙体内壁面温度，故采用迭代试算法求解式（7）计算外墙结构内壁面温度。

3.2 墙面结露的判别室内外环境与外墙结构仅存在热量交换而不发生传质过程，故室内环境空气的含湿量保持不变。由图3给出的空气温湿曲线中可以看出，室内空气含湿量不变条件下（等湿变化过程），当空气温度降低时，其相对湿度增大，当相对湿度高于100%时空气会产生凝结现象，此时的干球温度称为该状态下空气的露点温度tdp。当围护外墙结构的内壁表面温度低于室内空气露点温度时，空气中的水蒸气就有一部分液化为水珠析出，且温度降得越低，析出的水越多，此时外墙结构内表面就发生了结露现象。反之，当外墙结构内壁表面温度高于室内空气的露点温度时，外墙结构内表面不会发生结露问题。工程实践研究表明，当围护结构温度高于室内空气露点温度1～2℃时可以有效避免结露现象发生［13］，本研究为保证安全裕量，选择2℃的控制冗余度作为空气露点温度。室内环境空气的露点温度采用以下方法计算：

图3 空气温湿

（1）空气饱和水蒸气压力p″。湿空气中水蒸气的最大含量为饱和含量，相对应的水蒸气分压力为饱和水蒸气压力，可按纪利公式计算［14］：

式中：p″t为湿空气为t℃的饱和水蒸气压力，9.8×104Pa；t′为温度为t℃空气对应的热力学温度值，K，t′=t+273.15。

（2）室内空气相对湿度φi。当室内环境空气干球温度θi，湿球温度τi，大气压pai时，φi由式（2）计算：

式中：φi为室内空气相对湿度，%；p″τi为室内空气湿球温度对应的饱和水蒸气压力，9.8×104Pa；p″θi为室内空气干球温度对应的饱和水蒸气压力，9.8×104Pa；pai为室内环境的大气压，Pa。

室内环境的空气含湿量xi可由式（10）计算：

（3）室内环境空气的露点温度tdpi。空气的露点温度应满足以下关系：

将式（10）代入式（11）有：

露点温度对应的饱和水蒸气压力利用式（8）有：

联立求解式（12）和式（13）就可以计算室内空气的露点温度，由于式（13）是隐式公式，故采用迭代试算法联立求解。

4 墙面结露的计算结果分析及防护措施

4.1 外墙结构的表面结露分析利用式（7）和式（12）～（13）分别计算不同工况条件下外墙结构内壁面温度和室内空气露点温度。当墙体内壁面温度低于空气露点温度时，工业厂房围护外墙结构不会产生结露现象；反之外墙结构会发生结露问题。

图4给出了正常工况条件下墙体内壁面温度随环境风速的变化。从图中可以看出，夏季环境条件下，环境风速对墙内壁面温度影响不显著；冬季环境条件下，墙内壁面温度随着环境风速增大而略微降低，当风速从2m/s增至5m/s时，墙体内壁面温度降低的最大值仅为0.4℃。故后续分析假定室外对流换热系数αe为定值，夏季采用v=2m/s对应αe=20.63W/（m2·℃），冬季采用v=3.5m/s对应αe=25.94W/（m2·℃）。

图4 不同环境风速对墙内壁面温度的影响（正常工况）

图5给出了夏季环境条件下，外墙结构内壁面温度和室内空气露点温度随室内环境温度的变化规律，从图5可以看出，外墙内壁表面温度均高于室内空气的露点温度，故不会发生墙体结露现象。

图6给出了冬季环境条件下，外墙结构内壁面温度和室内空气露点温度随室内环境温度的变化规律，从图中可以看出，室内空气相对湿度低于30%时，工业厂房围护外墙结构内表面均不会发生结露现象。当室内空气相对湿度高于30%时，外墙内壁表面会发生结露现象，且室内环境的空气温度和相对湿度越大，外墙结构内壁面的结露现象越容易产生。

图5 夏季环境条件下的结露分析（φi=70%）

图6 冬季环境条件下的结露分析

4.2 外墙结构的防结露措施防止墙体发生结露的工程措施主要包含以下2种：一种是通过限制室内空气相对湿度来降低空气露点温度，以减小结露可能性；另一种是在工业厂房围护墙体外侧增设保温结构，以提高墙体内壁面温度来防止墙体发生结露［15］。

（1）限制室内相对湿度。图7给出了冬季环境条件下室内空气相对湿度上限值的变化，当室内环境相对湿度低于相应上限值，可以有效防止墙体结露产生。从图中可以看出，相对湿度上限值随着室内环境温度的增大而减小，但随着室外环境温度增大而增大（对于冬季室外环境温度，正常＞安全＞校核）。降低室内相对湿度的解决措施可采用增强通风、限制室内散湿量和采用冷冻除湿机等方法。

（2）增设外墙保温结构。工程实际中，对外墙采用保温措施是抑制和消除结露最有效的方法。给定室内环境条件下，室内空气的露点温度即为外墙内壁面不发生结露的温度下限值，通过传热计算可获得外墙结构需增设保温结构的热阻下限值。当增设保温材料结构的热阻高于其下限值时，就可有效避免围护外墙结构内壁表面结露现象的产生。目前常用的保温层材料有：聚氨酯、聚苯乙烯和石棉；保温层结构形式可分为内保温、外保温和夹层三种类型。图8给出了不同室内相对湿度条件下，校核工况的保温层热阻下限值的变化，从图8可以看出，保温层热阻下限值随着室内温度和相对湿度的增加而增大。图9给出了不同设计工况在室内相对湿度为70%条件下保温层热阻下限值的变化，从图9可以看出，保温层热阻下限值随着室外环境温度的增大而减小。

图7 冬季环境条件下室内相对湿度上限值

图8 冬季环境条件下增设保温结构热阻的下限值（校核工况）

5 结论

图9 冬季环境条件下增设保温结构热阻的下限值（φi=70%）

通过传热计算分析了不同室外气象条件和室内环境条件下空气和墙体的传热特性，并分析了正常设计、安全设计和校核设计气象条件下某工业厂房围护结构内壁面温度，以及墙体内壁表面结露情况。主要结论如下：（1）夏季环境条件，围护外墙结构的内壁表面温度均高于室内空气露点温度，不会发生墙体结露现象；（2）冬季环境条件，当室内环境空气的相对湿度高于其上限值时，墙体内壁面会发生结露现象。在25℃～35℃室温范围内，正常设计工况的相对湿度上限值为35%；安全设计工况的相对湿度上限值为32%，校核设计工况的相对湿度上限值为29%；（3）冬季环境条件，室内环境空气相对湿度较高时，要保证墙体内壁表面不发生结露现象，需采取限制室内环境相对湿度的措施或在外墙增设保温结构且热阻应大于其下限值。

本文是在假定室内外空气温度和湿度、以及外墙结构内外壁面温度都均匀分布的前提下展开的，可用于工业厂房围护外墙结构的初步防结露设计。