建筑墙体外围护结构结露时的室外临界温度的确定

胡思科，孟　帅，刘建宇

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)



建筑墙体外围护结构结露时的室外临界温度的确定

胡思科，孟帅，刘建宇

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：从建筑围护结构发生结露现象的原理出发，在满足热舒适度等级要求的前提下，确定了我国几个具有代表性区域常见的粘土砖多层建筑墙体、混凝土高层建筑墙体以及分别在两种墙体外侧加贴不同厚度聚苯板保温材料后，结构墙体不发生结露时的室外临界温度值，为防止和解决该现象的发生提供了必要的理论依据。

关键词：建筑墙体；围护结构；墙体结露；临界温度

结露现象是建筑围护结构常见的问题之一。它的产生，除了会影响墙体表面的美观和卫生状况外，更重要的是还会降低，甚至破坏墙体的保温效果和结构性能，引发建筑能耗的增加。在我国能源消耗结构中，工业消耗、交通消耗与建筑消耗占我国每年能源消耗的绝大部分，其中以建筑消耗占量最多[1]。那么，如何预测和防止其结露现象的发生将是建筑围护结构设计中一个极为重要的工作。目前，尽管许多学者已对室内结露问题进行了定性分析[2-3]，但并未针对具体的结构形式进行相关的研究。对此，本文将从建筑围护结构发生结露的原理出发，确定我国几个具有代表性的地区在常见的粘土砖结构墙体、混凝土结构墙体以及分别在两者外侧加贴聚苯板保温结构墙体发生结露时的室外临界温度，同时验证采取外保温措施的必要性。为工程设计计算及施工建立必要的理论依据，此外对于建筑领域，也应遵循低碳经济背景下的节能减排，发展建筑新材料，开发新能源解决有助于优化我国能源结构，保障我国能源安全[4]。

1围护结构结露分析的依据

当围护结构表面温度低于相应压力下的水蒸气饱和温度时即可发生冷凝现象；由于空气中相对湿度的不同，导致围护结构两侧表面水蒸气分压力不相等时，水蒸气将从分压力高的一侧扩散至分压力低的一侧。然而，在以往的关于居民建筑室内露点的分析中，常依据文献 [5]并在相对湿度为60%的状态下求得不同温度时的露点温度，而没有考虑在不同区域、冬季室内在不同相对湿度下存在内部结露的可能性。因此，这里将从这一点出发，首先探讨在一定围护结构的条件下，因室外气温变化达到室内表面结露的情形，然后依据表1所给出的热舒适度条件，确定在不同地区典型建筑结构类型下不同室内温度、湿度外墙不结露的室内相对湿度范围。

表1　人员长期逗留区域空调室内设计参数[6]

由表1可知，尽管其相对湿度大于30%，但考虑到如卫生间、厨房等具有较高湿度的环境，故在分析围护结构结露时，将室内相对湿度范围扩大为30%-80%之间。

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012，围护结构内表面温度计算公式为

(1)

移项得

(2)

式中：θi为围护结构内表面温度，℃；ti、te为室内、外计算温度，℃；Ro、Ri为围护结构导热热阻及其内表面对流传热热阻，根据实用供热空调设计手册，对墙、地面、表面平整的顶棚、屋盖或楼板以及带肋的顶棚，Ri取0.11m2·K/W。

由于研究的是壁面结露问题，故这里应该用露点温度td代替围护结构的内表面温度θi，故有

(3)

其中，露点温度td可根据相对湿度基本公式确定：

(4)

式中：pv、ps分别表示湿蒸气实际水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气压力，Pa。

2不同外围护结构下的热工分析

2.1粘土砖围护结构墙体

根据相关文献[7-12]确定的不同地区现有粘土砖结构墙体，哈尔滨取490 mm墙体，北京取370 mm墙体，武汉及广州取240 mm墙体，以当地冬季室外计算温度和冬季极限温度下计算得到的不同墙体厚度、不同室内温度条件下为防止结露所确定的对应室内相对湿度限度值，其计算结果及其变化规律如图1-图4和表2所示。

图1 哈尔滨市粘土砖结构外墙室外临界温度图2 北京市粘土砖结构外墙室外临界温度图3 武汉市粘土砖结构外墙室外临界温度图4 广州市粘土砖结构外墙室外临界温度

表2　不同地区内表面结露室内相对湿度上限

图5　室温18 ℃时混凝土结构室外临界温度

由图1-图4的分析可以直观看出，无论是在哈尔滨，还是在北京、武汉、广州地区，其冬季室外计算温度和室外极限温度下对应的室内不结露相对湿度的上限值，都将随室内温度的升高而降低，同时还将随室外温度的升高而升高，其具体数值如表2所示，从而也验证了传统粘土砖达不到保证室内不结露要求的事实。

2.2混凝土外围护结构墙体

近些年，以混凝土为围护结构的高层建筑在不断崛起。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中规定的主要技术指标现选择混凝土结构不同的厚度，即200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm，并以室内温度为18℃为例计算，其不同厚度下墙体内表面结露时的室外温度的临界值变化规律如图5所示。从图5中可以看出，随着室内相对湿度的增大和围护结构厚度的增加，在相同湿度下，其内壁表面结露时的室外温度的临界值将随墙体厚度的增加而降低，即墙体越厚则越不易结露，这是由于随着墙体厚度的增加其蒸气渗透阻力不断增加的结果。

3具有聚苯板外保温围护结构墙体

由文献 [13]可知，围护结构最小热阻计算式

(5)

式中:Δt为室内空气与围护结构内表面之间允许温差，对居住建筑、医院和幼儿园，外墙结构取6 ℃；n为温差修正系数，外墙取1.0。

根据围护结构最大允许传热系数理论确定的最小热阻[14]，混凝土基础墙体并在室内为18 ℃时不同湿度下的聚苯板保温层计算厚度如表3所示。

.　(6)

注：根据《民用建筑热工设计规范》(GB50176-1993)，当热惰性D在1.6-4.0时，围护结构类型为Ⅲ型。

表4　混凝土基础墙体在室温18℃时不利条件下折算的保温层厚度

注：其中R为最大允许传热系数计算公式考虑到最低露点的情况计算最小热阻。

是否考虑室内空气的相对湿度，将直接影响到保温层厚度的确定。由表4的计算结果可以看出，除相对湿度φ=60%时所计算保温层厚度以外，φ=70%和φ=80%时所计算的厚度都将大于未考虑相对湿度影响时的厚度。若将未考虑相对湿度影响下所确定的保温层厚度，如哈尔滨、北京、武汉和广州地区折合保温层厚度分别选取聚苯板保温层25 mm、11 mm、7 mm、0 mm以计算其室外临界温度，即预防结露其计算室内相对湿度控制范围如图6-图9所示。

图6 哈尔滨市聚苯板保温结构墙体室外临界温度图7 北京市聚苯板保温结构墙体室外临界温度图8 武汉市聚苯板保温结构墙体室外临界温度图9 广州市聚苯板保温结构墙体室外临界温度

对应于图6-图9，哈尔滨、北京、武汉和广州地区不同室内温度下，冬季室外计算温度下相对湿度上限和冬季室外极端温度下与相对湿度上限的具体数值如表5所示。

表5　不同地区内表面结露室内相对湿度上限

1.基层墙体；2.粘结层；3.保温层；4.抹面层；5.饰面层图10　聚苯板外保温结构

根据《外墙保温建筑构造》(10J121)图集，以及《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010)，对于基础墙体为200 mm钢筋混凝土墙体，层数≥9层建筑；严寒B区哈尔滨传热系数限值k=0.55 W/m2·K，选取80 mm聚苯板；寒冷B区北京k=0.70 W/m2·K，选取60 mm聚苯板；由于给出的传热系数限值是考虑了热桥而计算的平均传热系数，故大于采用最大传热系数法的计算厚度。由《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134-20100，武汉k=1.0 W/m2·K，选取40 mm(注意验证隔热)；由《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 75-2003)考虑夏季隔热。聚苯板外保温结构及热工性能参数见图10和表6所示。

表6　聚苯板外保温结构热工参数

图11　不同地区室外临界温度与室外计算温度

从图11的计算结果可以看出，广州地区室外临界温度线簇与该地区冬季室外计算温度线有交点，即在室内较高湿度情况下会出现结露现象；除广州外，其他地区曲线簇与直线没有交点，墙体内表面温度均超过露点，不会出现内表面结露情况。

4结语

根据建筑围护结构发生结露现象的原因，对我国几个具有代表性区域下几种不同的建筑围护结构进行了分析，有针对性的对传统以及现有建筑维护结构提出了一些问题：首先，验证了传统粘土砖达不到保证室内不结露要求的事实；其次，针对预防结露，无论是多层建筑的粘土砖围护结构还是高层建筑的混凝土围护结构，其冬季室外计算温度和室外极限温度下对应的室内不结露相对湿度的上限值都将随室内温度的升高而降低，同时还将随室外温度的升高而升高，并给出具体对应数值。因此，这些结论为防止和解决建筑物围护结构发生结露现象提供了必要的理论依据。

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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

中图分类号：TU111.19+1

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0023-06

作者简介：胡思科(1958-)，男，湖南省常德市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：电站系统及供热工程.

收稿日期：2015-12-10