德国节能设计标准外墙内表面热阻的环境分析

刘 畅 金松涛 田起军

(长春工程学院 建筑与设计学院， 长春 130000)

合理改善墙体隔热性能不仅减少建筑的能耗，而且能够提升建筑室内环境舒适度．环境的舒适与否由室内微气候与人体表面的换热平衡所决定，当由建筑创造的室内微气候越接近人体热舒适需求时，建筑就越舒适[1]．墙体内外表面热阻和墙体材料的物理性质则是改善墙体隔热性能、保证建筑舒适的原因之一．其中墙体热阻参数值是建筑墙体材料物理性质中一个重要的热工性能参数，它直接影响墙体的传热过程[2]．德国节能设计标准DIN4106中提出外墙内表面热阻的概念，并将其分为无设施环境、窗帘环境、衣柜环境和壁柜环境等4个环境下的外墙内表面热阻参数值，目的是为了考虑大多数居住建筑外墙内表面家具设置的可能性．我国民用建筑热工规范中的外墙内表面并没有考虑多环境下的外墙内表面参数值，只有单一的无设施环境下的外墙内表面参数值标准，这是导致居住建筑围护结构在冬季使用过程中外墙内表面结露发霉的重要原因之一，也是影响我国居住建筑室内微气候的原因之一．

因此本文通过对德国节能设计标准(DIN4106)中4种不同环境下的外墙内表面热阻各个参数值进行数值模拟计算并对其结果进行对比分析，这对我国进一步改善建筑室内热舒适环境，延长建筑围护结构使用寿命，弥补我国现行的节能设计标准中的漏洞具有一定的意义．

1 理论分析及模拟实验方法

1.1 理论基础

1.1.1 外墙内表面热阻

根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016(以下简称为热工规范)，维护结构表面换热阻的概念为物体表面层在对流换热和辐射换热过程中的热阻，是表面换热系数的倒数[3]，也可以称为表面热阻．我国建筑外围护结构的外表面换热阻可取Re=0.04(m2·K)/W，外围护结构的内表面换热阻可取Ri=0.11(m2·K)/W．由图1可以看出，当室外温度为-10℃，室内温度为20℃时，无壁柜环境下的的外墙内表面温度可以达到将近20℃．可是同样条件下，有壁柜环境下的外墙内表面温度低于无壁柜环境下的外墙内表面温度．其原因是有壁柜环境下的壁柜与外墙内表面存在一定范围的静止空气层，这层静止空气层的保温作用隔绝了室内热空气与外墙内表面的接触，造成外墙内表面温度低于无壁柜环境下的外墙内表面温度，甚至低于露点温度．图2中可以看出除了无设施环境以外，窗帘、衣柜、壁柜3种室内环境都是物体与外墙内表面之间存在一定间隙．这些间隙相当于静止的空气层，而且各自环境的保温能力也不一样．为防止外墙内表面出现结露发霉现象，德国节能设计标准DIN4106中将内墙表面热阻参数值分为4种，无设施环境为0.11(m2·K)/W，窗帘环境下为0.25(m2·K)/W，衣柜环境下为0.50(m2·K)/W，壁柜环境下为1.00(m2·K)/W．因此，居住建筑外墙内表面存在各式各样的家具摆放，我国建筑热工规范中单一的内表面换热组参数值并不能涵盖居住建筑室内所有处于不同环境下产生的表面热阻．在采暖期期间，采用单一形式的外墙内表面热阻标准，室内外的温差所产生的热传递和热桥很容易导致外墙内表面墙中和墙角处温度降到露点以下，最终造成外墙内表面结露甚至发霉，室内的空气质量达不到标准，进而影响室内舒适度环境．

图1 室内不同环境对内墙表面温度影响的区别

图2 4种内墙表面热阻不同家具布置环境

1.1.2 露点温度

露点温度简称露点，其单位与气温相同．指的是空气中饱和水汽开始凝结的温度．在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低[4]．建筑围护结构外墙直接接触室外大气，墙体外表面温度在工程上可视为与室外温度相同[5]．因此，室外大气与外墙内表面的能量交换通过传热方式进行．计算露点温度的方法为饱和水汽压求逆．露点温度与室内相对湿度息息相关，通过计算，室内的相对湿度越高，露点温度也会越高(见表1)．

表1 露点温度

根据我国热工规范，冬季采暖室内计算温度应取18℃，冬季室内热工计算参数中相对湿度规定取值一般房间为30%～60%．因此进行数据分析时，将室内相对湿度为30%～60%环境下的露点温度与外墙内表面温度进行对比，并借助Heat2热桥模拟软件，提出我国严寒地区节能设计标准运用多种形式的内墙表面热阻值的重要性．

1.1.3 我国严寒地区气候条件

我国严寒地区外墙的传热耗热量占围护结构耗热量的28%以上[6]，墙体热阻值越低则耗热量越大，越容易产生结露发霉现象．室内外墙内表面过多的发霉结露现象对建室内热环境的舒适度极为不利．从建筑热环境和人体热舒适角度对室外气候特征进行准确的数学描述是建立建筑气候分析技术首先涉及的基础问题[2]．

我国严寒地区主要分布在东北、内蒙古和西部部分地区，这些地区全年气温变化显著，冬季室内外温差可达到50℃．这对该地区的建筑物带来了许多危害．建筑结构设计中涉及的作用包括直接作用(荷载)和间接作用，如果忽视了温度的间接作用，会导致结构严重损伤，外墙围护结构性能减退，并直接影响外墙内表面温度的变化[7]．

与德国地区相比，我国严寒地区最低气温可达-40℃[8]．因此，本研究基于我国严寒地区的气候条件，通过Heat2热桥软件进行计算，计算出外墙内表面墙中和墙角部位的温度，并将其与露点温度进行对比，进一步分析出我国严寒地区节能设计标准需要多种外墙内表面热阻的参数值的迫切性．

1.2 模拟实验方法及参数的设定

1.2.1 Heat2热桥软件

热桥在现代建筑中普遍存在，不可避免．热桥的影响在于其降低了墙体的平均传热热阻，恶化了围护结构内表面的温度环境，使得墙体内表面结露，影响围护结构的整体保温效果[9]．热桥可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果．依据现在已有一些计算机模拟软件，可以针对热桥进行一维和二维传热实验，显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况．

Heat2热桥模拟软件是由瑞典隆德大学和美麻省理工学院共同研发，用来对热桥在稳态条件下进行细致的局部温度、热流分析和计算、被动房认证[10]．有研究表明，通过建立二维稳态模型对保温体系中的典型热桥进行了计算和分析，实验结果表明了二维稳态模型的正确性[11]，且与非稳态模型相比，二维稳态模型能够更加合理的评估对墙体表面温度的影响程度．因此，本文针对外墙内表面墙中部位和墙角部位建立一维和二维模型，选用Heat2热桥模拟软件进行试验研究，计算出我国严寒地区气候条件下的外墙室内墙体最低温度及热流分布，同时对墙体最低温度与露点温度进行比较，从而进行定量分析．

1.2.2 模拟实验参数设定

为保证模拟实验结果的准确性和实际性，本研究基于我国热工规范进行室内温度和室外温度的环境参数设定(见表2)．室内温度取冬季采暖室内计算温度18℃，室外温度根据《热工设计区属及室外气象参数表》温度最低的室外计算参数取为黑龙江省漠河的-36.3℃．根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26-2010[6]，严寒地区外墙传热系数选用我国严寒(A)区外墙最低参数值．外墙材料中的外墙钢筋混凝土设定值根据实际工程常用厚度值定为200mm．外墙钢筋混凝土导热系数为1.74 W/(m·K)，EPS保温板导热系数为0.039 W/(m·K)．

表2 环境参数值的设定

研究设定的模拟计算参数对建筑构件热工性能的计算不仅能够提高准确性和实际性，还更加直观地表达出外墙内表面热阻多种环境的参数值的重要性．

2 模拟实验

由以上分析可知，德国节能设计标准DIN4106中无设施环境下的内表面热阻参数值为0.11(m2·K)/W，与我国热工规范中的内表面换热阻参数值相同．表面热阻作为阻抗传热能力的物理量，在保证空气成分不变的情况下，仅与空气层厚度有关．壁柜作为家居设计摆设，考虑到合理使用房间内的空间以及安装方法，需贴墙摆设，此时与外墙内表面之间的空气层厚度可视为一定．因此，德国节能设计标准DIN4106中4个环境下的内表面换热阻参数值可以与我国室内实际情况相结合进行模拟实验．

研究基于相对湿度30%～60%之间的露点温度，针对我国居住建筑大多数室内墙面装饰装修设计中推行的乳胶漆墙面装饰[12]进行研究，利用Heat2热桥模拟软件将德国节能设计标准中4种环境下的外墙内表面热阻值与我国严寒地区最低气温和最低的传热系数相结合，计算出墙中部位和墙角两个部位的温度，最后将外墙内表面墙中和墙角部位的温度与露点温度进行对比分析．

图3和图4分别为利用Heat2热桥模拟软件制作出的外墙内表面墙中部位的一维稳态模型和墙角部位的二维稳态模型，环境设置参数相同，T=-36.3℃为严寒地区室外最低计算温度，T=18℃为室内计算温度．根据我国民用建筑热工规范，R=0.04(m2·K)/W为外墙外表面热阻参数值，R=0.11(m2·K)/W为外墙内表面热阻参数值．

图3 一维稳态模型的 图4 二维稳态模型的模拟实验 模拟实验

2.1 外墙内表面墙中部位

结合严寒地区外墙传热系数参数值0.25(W/(m2·K))，4种环境下的外墙内表面热阻值对外墙内表面墙中部位的影响具体数据如图5所示．

图5 4种环境下的外墙内表面热阻值对外墙内表面墙中部位的影响

由图5可知，4个环境下的外墙内表面墙中部位的温度随着室外温度的升高而变高，二者关系为正比．其中无设施环境下的内表面温度折线变化最小，窗帘环境和衣柜环境相对较大，而壁柜环境折线变化最明显．与露点温度相比，无环境设施、窗帘设施、衣柜设施的外墙内表面墙中部位都处于露点温度以上，即全部高于室内相对湿度为60%的露点温度10.1℃，结露的可能性非常低．在壁柜环境下，当室外温度为-36.3℃时，壁柜环境下的外墙内表面墙中部位温度低于相对湿度为41%的露点温度4.6℃；当室外温度位于-36.3～-14℃之间时，外墙内表面墙中部位的温度低于相对湿度为60%的露点温度10.1℃以下．由此可见，当室内布置壁柜家具环境时，外墙内表面墙中部位墙体结露发霉可能性非常大．

2.2 外墙内表面墙角部位

结合严寒地区外墙传热系数参数值0.25(W/(m2·K))，4种环境下的外墙内表面热阻值对外墙内表面墙角部位的影响具体数据如图6所示．

图6 4种环境下的外墙内表面热阻值对外墙内表面墙角部位的影响

由图6可知，4个环境下的外墙内表面墙中部位的温度随着室外温度的升高而变高，二者关系为正比．其中无设施环境下的内表面温度折线变化最小，窗帘环境和衣柜环境变化相对较大，壁柜环境折线变化最明显．无设施环境和窗帘环境下的外墙内表面墙角部位都处于露点温度已上，结露的可能性非常低；当处于衣柜设施情况下，当室外温度为-36.3℃时，外墙内表面墙角部位温度低于相对湿度为53%的露点温度8.3℃，当室外温度位于-36.3～-25℃之间时，外墙内表面墙角部位的温度全部低于相对湿度为60%的露点温度10.1℃；在壁柜环境下，当室外温度位于-36.3～-7℃之间时，外墙内表面墙角部位的温度全部低于相对湿度为60%的露点温度10.1℃．同时在室外温度为-36.3℃时，墙角温度低至0.5℃，低于相对湿度为31%的露点温度0.7℃，这种情况非常容易产生结露发霉的现象．

2.3 试验结果及分析

基于以上数据模拟计算，分析出外墙内表面墙中部位，当室内相对湿度为60%时，内墙表面热阻参数值为0.11(m2·K)/W、0.25(m2·K)/W和0.5(m2·K)/W的环境下内表面温度不会降到露点以下，此时无设施环境、窗帘环境和衣柜环境的内表面温度受到室外温度的影响最少，结露发霉的可能性相对较低；内墙表面热阻参数值为1(m2·K)/W的内表面温度受到室外温度的影响最多，发霉结露的可能性最大．外墙内表面墙角部位，当室内相对湿度为60%时，内墙表面热阻参数值为0.11(m2·K)/W和0.25(m2·K)/W的外墙内表面墙角温度受到室外温度的影响最少，结露发霉的可能性相对较低；内墙表面热阻参数值为0.5(m2·K)/W的外墙内表面墙角温度受到室外温度的影响相对较多，在一定程度上会产生发霉结露的现象；内墙表面热阻参数值为1(m2·K)/W的外墙内表面墙角温度受到室外温度的影响最多，此时结露发霉的可能性最大．由此可见，德国DIN4106标准中的4个环境下的外墙内表面参数值当中，衣柜环境和壁柜环境下的内墙表面热阻对我国严寒地区的居住建筑外墙内表面墙中和墙角部位的表面温度影响最深，在一定程度上说明了我国节能设计标准中的外墙内表面热阻值的单一性，没有充分考虑我国严寒地区居住建筑设置的家具环境的多样化对室内舒适度的影响．

3 结论与展望

建筑围护结构墙体热阻是衡量墙体隔热性能的一个重要指标，而外墙内表面热阻则直接接触室内空气，是决定室内外墙内表面温度的重要关卡．通过严寒地区的最低温度和最低的外墙传热系数入手进行模拟实验及试验数据与露点温度的对比分析，得出如下结论：

1)德国节能设计标准DIN4106中内含有4个家具环境设施下的外墙内表面热阻值，但是其中壁柜环境下的外墙内表面热阻值与我国严寒A区最低气温相结合得出的实验结果中，大部分外墙内表面温度仍然低于露点温度，说明我国严寒地区的节能设计标准中外墙内表面热阻值过于单一，对于我国严寒地区进行节能参数计算存在很大的隐患，很容易造成外墙内表面结露发霉的现象．

2)以我国室内相对湿度位于30%～60%之间为前提，当居住建筑室内外墙内表面为无环境设施和窗帘环境设施时，此时的德国节能设计标准中的外墙内表面热阻参数值能够辅助墙体参数设计，使墙体表面温度高于露点温度；为衣柜环境时，若涉及到墙角处，外墙内表面热阻参数值不能够辅助墙体参数设计，约1/3的室外温度会使室内墙体表面温度低于露点温度；为壁柜环境时，此时的德国节能设计标准中的外墙内表面热阻参数值不能够辅助墙体参数设计，大部分的室外温度会使室内墙体表面温度低于露点温度．

3)外墙内表面的墙角和墙中部位中，4种环境下的外墙内表面温度与露点温度对比结果显示，墙角部位受到影响最大，也就意味着墙角部位发霉结露大于墙中部位．

4)随着社会的发展和进步，室内家具装修种类愈加多种多样，大多数居住建筑的外墙内表面都会存在摆放各种各样的家具的可能．我国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中的外墙内表面热阻参数值只考虑了外墙内表面不存放家具的情况，这是造成我国严寒地区居住建筑外墙内表面结露发霉的重要原因之一．因此，提高对外墙内表面热阻的认识，进一步完善我国节能设计标准中的外墙内表面热阻参数值迫在眉睫．