宿州地区气候潮湿强度指标特征研究

钱耀辉 程海峰 张举

1安徽建筑大学环境与能源工程学院

2安徽建筑大学节能研究院教育部建筑能效控制与评估工程研究中心

0 引言

我国夏热冬冷地区，全年湿度大是该地区气候的一个显著特征，年平均相对湿度70%～80%左右，有时高达95%～100%[1]。在空调冷负荷的组成中新风冷负荷占有较大的比例，文献[2]研究表明节能住宅单位建筑面积夏季新风冷负荷占29.61%，夏季新风用电量占44.54%，新风全年采暖空调除湿用的电量占40.24%，文献[3-4]表明除湿的能耗要占到空调总能耗20%～40%，其中通风引起的湿负荷占总湿负荷的68%。Shijun You，Wenqingping Li，Tianzhen Ye[5]等人研究了高湿气候下建筑内表面水汽凝结的特征。Giacomo Zonno Rafael Aguilar[6]等人连续监测分析了温度和湿度对土坯建筑结构性能的影响。

目前研究多针对气候潮湿对建筑性能产生不良影响，对全年建筑潮湿程度年分布特征与变化规律研究较少。本文以宿州地区为例以近30年（1989～2018）逐时气象参数为计算依据，结合室内热湿环境研究该地区建筑物的结露程度分布特征，提出判定建筑潮湿强度指标。

1 典型气象年温湿度参数的统计

本文根据文献[7]中对典型气象年的定义通过采集宿州地区近30年逐日温湿度气象参数为基础，从近10年的参数中选取一年各月接近30年的平均值作为典型气象年具体方法如下：

①采集近30年（1989～2018年）气象参数温湿度具体数据为基础。

②将逐年气象资料温度、相对湿度按逐月求出平均值。

③将逐年逐月平均值对30年该月求出平均值。

④将求得的温湿度均值与近十年对应的月平均值对比选取最接近的某月作为典型气象月。

⑤典型气象月构成典型气象年。

根据文献[8]提出的潮湿气候简便性判别指标月平均相对湿度超过70%为潮湿月，连续三个潮湿月构成潮湿季节，从表1中可以看出宿州地区月平均相对湿度均大于60%，且一年内数值较稳定，月平均绝对湿度数值变化较大。7月、8月、9月持续平均相对湿度大于70%，且8月出现极大值接近80%。7月，8月，9月为潮湿月，且7、8月建筑潮湿生霉概率高，围护结构地面结露概率大，8月更加严重。

表1 宿州地区典型气象年月平均温湿度统计表

2 建筑围护结构结露计算研究

室外空气高温高湿且接近饱和状态，在自然通风条件下室外空气进入室内影响室内热湿环境，室内围护结构表面热惰性大当温度低于室内空气露点温度时，表面冷凝结露出现水珠。宿州地区夏热冬冷，考虑实际生活习性，除冬季门窗紧闭取暖，春、夏、秋均在自然通风工况下。本文研究自然通风工况下建筑围护结构结露特性。

2.1 围护结构计算参数

本文只考虑直接与室外环境接触的外墙结构，具体的计算参数参考《民用建筑热工设计规范》规定的设计参数[9]如表2：

表2 围护结构计算参数表

2.2 室内外热湿环境参数

建筑在空调工况下不仅能消除显热负荷还能够达到除湿的目的，因此为了更好的反应在宿州地区特有的气候条件下围护结构潮湿的分布特征，本文只研究自然通风工况（除12月、1月、2月）。室外计算参数由上述典型气象年温湿度参数统计后得出，室内逐日温度根据下式计算得出：

式中：Ti为室内逐日计算温度，℃；Tw为室外自然通风期逐日平均温度，℃。

室内逐日相对湿度值Φi近似等于室外逐日相对湿度值Φw。当室内温湿度数值已知，可根据下式[10]先计算室内空气水蒸气分压力：

式中：Pa为空气水蒸气分压力；Φi为室内空气逐日相对湿度；Ti为室内空气逐日温度。

再由下式[11]计算对应的露点温度：

式中：a=lnPa；P=Pa/1000；T1为对应的逐日露点温度。

2.3 围护结构内表面温度计算

当围护结构内壁面温度低于室内空气露点温度时，空气中的水蒸气一部分会冷凝成水珠在壁面析出，温度越低析出的水越多，围护结构越潮湿。围护结构内壁面温度T2计算如下式[12]：

式中：T2为围护结构对应的逐日内壁面温度，℃；Ri为围护结构内壁面热阻，m2·K/W；Rw为围护结构外壁面热阻，m2·K/W。具体取值如表2。

3 围护结构结露计算结果分析

利用式（1）～（3）分别计算3～11月自然通风期围护结构内壁面逐日温度和对应露点温度。当ΔT=T2-T1≤0时壁面结露，ΔT越大结露强度越大。计算后结果用Origin数据处理软件分析情况如图1～图3。

图1 宿州地区3～5月围护结构内表面逐日结露情况

从图1～图3可以看出宿州地区3～11月围护结构内表面出现结露的时间，持续的程度以及结露的强度特征分布，具体结论如下：该地区自然通风期各月均出现结露现象，3～11月共结露61天，7月、8月结露天数最多均为12天，5月最少出现4天，且8月上旬出现连续结露5天的极端情况。结露潮湿强度各月出现不均匀的波动性变化，结露强度大于2 ℃有11天，8月、9月极小值出现频率大逐日结露强度小，10月下旬极大值出现频率高逐日结露强度大。

图2 宿州地区6～8月围护结构内表面逐日结露情况

图3 宿州地区9～11月围护结构内表面逐日结露情况

4 宿州地区气候潮湿指标的判定

本文通过以典型气象年自然通风工况下建筑围护结构内表面结露为判定特征指标，定义结露基数Tj（室外逐日平均干球温度Tw-室外逐日露点温度Td），从结露强度以及结露天数的分布规律结合室外气象参数特征对比分析。如图4～6所示。

由图4～图6可以看出围护结构结露强度与室外结露基数在不结露情况下各月逐日变化趋势一致，且呈正比例变化。在围护结构结露情况下，不成正比，结露强度越大室外温度基数越小，当结露基数低于某一数值时，围护结构内表面开始结露。利用origin软件统计拟合围护结构结露工况下结露程度与室外温度基数关系式如图7所示。

图4 宿州地区3～5月温度基数与室内结露对比图

图5 宿州地区6～8月温度基数与室内结露对比图

图6 宿州地区9～11月温度基数与室内结露对比图

图7 宿州地区室外结露基数与室内壁面结露程度拟合曲线图

由图7可知横坐标表示室内围护结构结露工况，纵坐标表示室外干球温度与露点温度的差值。当围护结构内表面温度低于室内空气露点温度时内表面开始结露，此时对应一个室外结露基数值。拟合结果具体如下：

式（5）可知当T2-T1=0时室内围护结构内表面开始结露，此时结露基数值Tj=3.260 ℃，取整数Tj=4。因此本文提出判定潮湿强度指标定义如下：全年侯逐日干球温度与对应的逐日露点温度的差值低于4 ℃的温度度数被1天整除，再将逐日该值累加，结果越小表明气候潮湿强度越小，结果越大表明气候潮湿强度越大。

5 宿州地区气候潮湿情况统计分析

根据上述指标，选取宿州地区典型气象年数据统计分析该地区气候潮湿情况如表3所示：

表3 宿州地区各月潮湿强度统计表

图8 宿州地区季节潮湿持续程度分布图

图9 宿州地区季节潮湿强度占比

由表3及图8、9可以看出宿州地区全年潮湿强度与潮湿持续程度均呈现季节性变化，全年气候潮湿强度冬季出现极小值7.84 d/℃，全年占比18%，春秋季节差异不大，夏季气候潮湿强度出现极大值达到15.31 d/℃，全年占比35%。潮湿持续程度春季最小出现18天，夏季最大出现38天。四季潮湿强度指标值与潮湿持续程度整体呈现先增大后减小的趋势。全年各月中7月潮湿强度最大，2月潮湿强度最小。全年潮湿强度达到43.35 d/℃。

5.1 宿州地区近30年气候潮湿变化分布规律

如图10可看出近30年宿州地区潮湿强度出现不均匀波动性变化，且年间波动随机性较大，极值情况出现频繁，分别在2003年、2013年出现极大值极小值。近10年潮湿强度极值波动幅度大，相比较前20年潮湿强度均值下降16%，表明宿州地区气候有偏干燥的趋势。

图10 宿州地区1989～2018年潮湿强度变化趋势

6 结论

1）宿州地区月平均相对湿度均大于60%，月平均绝对湿度数值变化较大。7月、8月、9月持续平均相对湿度大于70%，且8月出现极大值接近80%。

2）宿州地区自然通风期（3～11月）各月均出现结露现象，3～11月共结露61天，7月、8月结露天数最多均为12天，5月最少出现4天，且8月上旬出现连续结露5天的极端情况。结露程度各月出现不均匀的波动性变化，结露程度大于2 ℃有11天，8月、9月极小值出现频率大逐日结露强度小，10月下旬极大值出现频率高逐日结露强度大。

3）以典型气象年自然通风工况下建筑围护结构内表面结露为判定特征指标，定义了结露温度基数：在室内围护结构内表面开始结露条件下对应室外逐日干球温度与露点温度的差值称为结露基数。

4）围护结构结露程度与室外结露基数在不结露情况下各月逐日变化趋势一致，呈正比例变化。在围护结构结露情况下，不成正比，结露程度越大结露基数越小，当结露的基数低于4 ℃时，围护结构内表面开始了结露。

5）提出判定潮湿强度指标定义如下：室外逐日干球温度与露点温度的差值低于结露温度基数时，其差值倒数的累加值为潮湿强度值，结果越小表明气候潮湿强度越小，结果越大表明气候潮湿强度越大。

6）宿州地区全年潮湿强度与潮湿持续程度均呈现季节性变化，全年气候潮湿强度冬季出现极小值7.84 d/℃，全年占比18%，春秋季节差异不大，夏季气候潮湿强度出现极大值达到15.31 d/℃，全年占比35%。潮湿持续程度春季最小出现18天，夏季最大出现38天。四季潮湿强度指标值与潮湿持续程度整体呈现先增大后减小的趋势。全年各月中7月潮湿强度最大，2月潮湿强度最小。全年潮湿强度达到43.35 d/℃。

7）近30年宿州地区潮湿强度出现不均匀波动性变化，且年间波动随机性较大，极值情况出现频繁，分别在2003年、2013年出现极大值极小值。近10年潮湿强度极值波动幅度大，相比较前20年潮湿强度均值下降16%，表明宿州地区气候有偏干燥的趋势。