王 瑾　牛 臻　柳建華　王金鑫　吳 極　黃軍徽　康勝旺

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院　上海　200093；2 中國海誠工程科技股份有限公司　上海　200031；3 特靈空調(diào)系統(tǒng)(中國)有限公司　蘇州　215413)

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高溫高濕環(huán)境室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露的分析

王 瑾1牛 臻1柳建華1王金鑫1吳 極1黃軍徽2康勝旺3

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院上海200093；2 中國海誠工程科技股份有限公司上海200031；3 特靈空調(diào)系統(tǒng)(中國)有限公司蘇州215413)

某些室內(nèi)環(huán)境因空氣溫度高濕度大，造成外圍護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是玻璃幕墻內(nèi)表面結(jié)露。通過采用現(xiàn)場實(shí)測、理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對高溫高濕室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)口與幕墻之間的距離與送風(fēng)口的出風(fēng)角度是主要影響因素。當(dāng)風(fēng)口與玻璃幕墻間距在0.2～1.1 m，出風(fēng)角度在30°～45°時(shí)，基本可避免玻璃幕墻上出現(xiàn)大面積結(jié)露；出風(fēng)角度為16°時(shí)，風(fēng)口與外墻的間距越大，越有利于避免外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露；出風(fēng)角度大于45°時(shí)，風(fēng)口與外墻的間距越小，結(jié)露區(qū)域面積越小。

高溫高濕環(huán)境；表面結(jié)露；氣流組織；現(xiàn)場測試；數(shù)值模擬

某些特殊功能的室內(nèi)常處于溫度高，濕度大的環(huán)境，例如室內(nèi)游泳池，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。特別是采用傳熱系數(shù)較大的玻璃幕墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，結(jié)露現(xiàn)象更為嚴(yán)重。結(jié)露不僅影響建筑的美觀，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)腐蝕，裝飾材料發(fā)霉、脫落[1-2]，而且滋生細(xì)菌、霉菌[3]，影響室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)[4]。

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露的主要原因是圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)環(huán)境空氣的露點(diǎn)。要解決結(jié)露問題，應(yīng)盡量提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度或降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近空氣的含濕量。解決的方法主要有三種：1)盡可能降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為墻體時(shí)，可增設(shè)保溫層、合理設(shè)置隔氣層等[5]，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻時(shí)，傳熱系數(shù)則不能降到較小的范圍；2)改變空調(diào)送風(fēng)參數(shù)[6]，即提高送風(fēng)溫度、風(fēng)速和降低送風(fēng)的含濕量，但這種方法使用不當(dāng)會影響室內(nèi)空氣的參數(shù)[7]；3)改變室內(nèi)空氣的氣流組織，包括風(fēng)口的布置高度、相鄰風(fēng)口的間距、風(fēng)口與外墻的間距和風(fēng)口的出風(fēng)角度等。

1　游泳池概況

以上海市某酒店三樓室內(nèi)泳池進(jìn)行研究，該泳池面積602 m2，池水面積293 m2。泳池吊頂高度為3.5 m，池水區(qū)域吊頂高度為5 m。泳池南側(cè)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，其它三面與酒店內(nèi)走廊相鄰，頂部為四樓的樓板，池邊設(shè)置了休息區(qū)。

泳池外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由玻璃幕墻和墻體間隔組成，空調(diào)送風(fēng)采用單層百葉條形風(fēng)口下送，與玻璃幕墻中心正對，風(fēng)口高度為3.5 m，水平間距為3 m，風(fēng)口中心與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m；休息區(qū)一側(cè)采用圓形噴口沿水平方向側(cè)送風(fēng)；回風(fēng)采用單層百葉矩形風(fēng)口，具體見圖1。

測試選擇在冬季最容易發(fā)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露的時(shí)間段進(jìn)行，表1～表3給出該游泳館內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)[8]及冬季送風(fēng)參數(shù)。

表1建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

Tab.1The thermal parameters of building envelope

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料名稱傳熱系數(shù)/(W/(m2·K))外墻聚氨酯硬泡沫塑料保溫墻0.74玻璃幕墻Low-E中空低輻射玻璃幕墻1.8內(nèi)墻蒸壓粉煤灰磚內(nèi)墻1.69屋頂聚苯板保溫屋面0.47

表2游泳館內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.2The indoor design parameters of swimming pool

干球溫度/℃相對濕度/%換氣次數(shù)水溫/℃29±150～75527±1

圖1　游泳池平面及測點(diǎn)布置圖Fig.1 Schematic diagram of planar swimming pool and arrangement of measuring points

表3游泳館冬季送回風(fēng)參數(shù)

Tab.3The air supply parameters of swimming pool in winter

類型尺寸/mm高度/m溫度/℃相對濕度/%風(fēng)速/(m/s)單層百葉(送)400×2003.0圓形噴口(送)R=2503.836.824.23.56.0單層百葉(回)800×4003.0———

2　泳池玻璃幕墻內(nèi)表面結(jié)露情況實(shí)測

測試點(diǎn)應(yīng)布置在靠近玻璃幕墻和人員行走或經(jīng)常停留的區(qū)域。在靠近玻璃幕墻的區(qū)域，應(yīng)在風(fēng)口中心和兩相鄰風(fēng)口連線中心下方分別布置測點(diǎn)。每個(gè)位置分別在距地面0.4 m、1.1 m和1.8 m的高度布置測點(diǎn)[9]。

選取8個(gè)測試位置共計(jì)24個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試，具體位置如圖1所示，其中測點(diǎn)1～測點(diǎn)4布置在靠近玻璃幕墻的區(qū)域，與玻璃幕墻的水平間距為0.03 m[10]，測量靠近玻璃幕墻處空氣的溫濕度；測點(diǎn)5～測點(diǎn)8布置在人員活動區(qū)域，用于測量岸上人員活動區(qū)域的溫濕度及風(fēng)速。采用E+E HUMLOG10溫濕度儀測試室內(nèi)空氣溫濕度，SWP-NSR萬向微風(fēng)速儀測試室內(nèi)風(fēng)速。測試時(shí)的室外環(huán)境干球溫度為-2 ℃，濕球溫度為-3.2 ℃，測試結(jié)果見表4。

測點(diǎn)5～測點(diǎn)8的數(shù)據(jù)顯示，人員活動區(qū)域的溫度均維持在28 ℃左右，相對濕度維持在65%左右，平均風(fēng)速為0.19 m/s，滿足游泳館設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。測點(diǎn)1～測點(diǎn)4的數(shù)據(jù)顯示，玻璃幕墻附近空氣溫度基本都小于20 ℃；隨著高度的升高，相對濕度逐漸升高。高度為1.8 m時(shí)，測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的相對濕度均大于75%，在玻璃幕墻上出現(xiàn)了結(jié)露現(xiàn)象。

表4各測點(diǎn)的溫濕度與風(fēng)速值

Tab.4Temperature, relative humidity and wind speed values of each measuring point

溫度/℃123456780.419.619.121.320.727.827.828.227.71.115.818.817.318.428.328.528.528.61.811.617.013.118.228.528.528.429.1風(fēng)速/(m/s)123456780.40.160.050.100.180.250.100.110.061.10.140.150.070.120.430.190.120.101.80.060.120.110.100.460.280.110.11相對濕度/%123456780.447.851.344.952.765.765.567.867.71.166.869.158.150.864.664.164.364.41.888.278.377.749.165.964.265.560.1

3　數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了展現(xiàn)室內(nèi)的溫濕度場和流場變化，用數(shù)值模擬進(jìn)一步分析玻璃幕墻內(nèi)表面結(jié)露的影響規(guī)律。

3.1 室內(nèi)流場控制方程

該泳池的流場是一個(gè)三維非定常，兩相流的湍流流動傳熱傳質(zhì)過程[11]。實(shí)際的傳熱傳質(zhì)過程雖然比較復(fù)雜，但仍遵循能量守恒、質(zhì)量守恒及動量守恒三大定律。

由于流動處于湍流狀態(tài)，流場還應(yīng)遵守湍流輸運(yùn)方程。經(jīng)過對比分析，選擇了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[12]，該模型是目前應(yīng)用較廣、接受檢驗(yàn)最多、數(shù)值求解技術(shù)也最成熟的湍流模型[10]，而且對于室內(nèi)氣流組織的模擬有較高的穩(wěn)定性。

游泳館中存在大面積自由蒸發(fā)水面，室內(nèi)空氣相對濕度大，水蒸氣和空氣的強(qiáng)烈混合擴(kuò)散作用，使整個(gè)傳熱傳質(zhì)過程必須遵循組分質(zhì)量守恒定律。該定律表述為：系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對時(shí)間的變化率，等于通過系統(tǒng)界面凈擴(kuò)散流量與通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：c為組分的體積濃度；ρ為組分的密度，kg/m3；D為組分的擴(kuò)散系數(shù)；S為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間單位體積該組分的生產(chǎn)率，kg/(m3·s)；

3.2 室內(nèi)流場的物理模型

室內(nèi)休息區(qū)的桌椅及服務(wù)區(qū)的吧臺對整個(gè)游泳池的氣流組織影響很小，建模過程將其忽略。池水部分以飽和空氣層代替池水作為散濕源項(xiàng)[13]，人員的散濕量和池邊濕地的散濕量計(jì)入游泳池的池水散濕量[14]中一并計(jì)算，模型如圖2所示。

圖2 游泳館模型Fig.2 Diagram of swimming pool model

3.3 邊界條件設(shè)置

本泳池內(nèi)墻和外墻為常熱流固壁邊界條件[15-16]，人體、池水及池邊的散濕定義為源項(xiàng)。邊界條件設(shè)置參數(shù)如表5所示。

3.4 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

選擇風(fēng)口與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m，風(fēng)口出風(fēng)角度為90°時(shí)各測點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)如表6所示。

表5邊界條件設(shè)置參數(shù)

Tab.5Parameters of boundary condition

對象名稱邊界類型邊界條件南外墻常熱流熱流密度-22.9W/m2南外窗常熱流熱流密度-55.8W/m2內(nèi)墻常熱流熱流密度-15.2W/m2屋頂常熱流熱流密度-4.23W/m2池水表面源項(xiàng)散濕量84kg/h,熱流密度-8.4W/m2矩形風(fēng)口速度入口溫度36.8℃,速度3.5m/s,相對濕度24.2%圓形風(fēng)口速度入口溫度36.8℃,速度6.0m/s,相對濕度24.2%回風(fēng)口壓力出口出口壓力0Pa

表6各測點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)

Tab.6Simulation data of each measuring point

溫度/℃123456780.419.919.621.220.127.427.227.527.51.116.119.017.117.927.627.627.627.91.811.917.213.017.827.627.727.628.5速度/(m/s)123456780.40.100.080.080.150.240.080.090.061.10.060.030.060.080.330.160.080.061.80.030.030.050.050.410.230.080.06相對濕度/%123456780.448.953.045.155.467.071.564.968.91.168.662.161.754.366.167.062.466.81.889.871.379.952.471.768.666.168

結(jié)果顯示測點(diǎn)5～測點(diǎn)8的溫度基本維持在27.6 ℃左右，與實(shí)測結(jié)果相差2.5%；相對濕度維持在78.4%左右，與實(shí)測結(jié)果相差3.8%；速度維持在0.16 m/s左右，與實(shí)測結(jié)果相比速度偏小，這是因?yàn)閷?shí)測過程中受室內(nèi)人員走動引起的干擾。測點(diǎn)1～測點(diǎn)4的溫度平均值為17.6 ℃，與實(shí)測結(jié)果相差1.7%；相對濕度平均值為57.1%，與實(shí)測結(jié)果相差4.1%；不同高度的測點(diǎn)溫濕度變化與實(shí)測結(jié)果基本一致，誤差在允許誤差范圍內(nèi)。

4　理論分析和計(jì)算

針對送風(fēng)口的出風(fēng)角度和風(fēng)口與外墻之間的距離等因素對玻璃幕墻附近的氣流組織進(jìn)行理論分析。

玻璃幕墻處采用條形送風(fēng)口，擴(kuò)散角α為16°5′[17]，當(dāng)風(fēng)口軸心與水平方向夾角θ大于α?xí)r，OA段為自由射流階段，風(fēng)口出流至A點(diǎn)后，氣流斷面為CF，沿玻璃幕墻向下形成貼附射流階段ADE，此時(shí)，忽略氣流在A點(diǎn)轉(zhuǎn)向時(shí)的能量損失，亦不考慮室外環(huán)境溫度的影響。以風(fēng)口與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m為例，計(jì)算不同的出風(fēng)角度下，A點(diǎn)、E點(diǎn)速度和溫度，結(jié)果如表7所示。表中：Te為周圍環(huán)境氣體的溫度，℃；To為風(fēng)口出口斷面氣體的溫度，℃；vo為風(fēng)口出口斷面氣體的速度，m/s；a為紊流系數(shù)，表示射流流動結(jié)構(gòu)的特征系數(shù)；s為氣流射程，m；bo為平面射流風(fēng)口半高度，m。

通過計(jì)算可知，隨著出風(fēng)角度的增大，氣流軸心A點(diǎn)的速度和溫度先增大后減小，在θ=45°時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)出風(fēng)角度在30°～60°時(shí)，A點(diǎn)的高度基本位于玻璃幕墻中心區(qū)域，有利于兼顧玻璃幕墻上下兩方面的結(jié)露狀況。

表7理論計(jì)算結(jié)果

Tab.7Results of theoretical calculation

θ/(°)A點(diǎn)斷面平均速度v1/(m/s)A點(diǎn)斷面質(zhì)量平均溫度T2/℃A點(diǎn)距地面高度h/mE點(diǎn)軸心速度vm/(m/s)E點(diǎn)軸心溫度Tm/℃—v1=(1+0.43asbo1+2.44asbo)voT2=To-Te1+0.43asbo+Tehvm=1.2voasbo+0.41Tm=1.032(To-Te)asbo+0.41+Te160.7631.862.700.4831.49300.9432.552.380.6732.35450.9932.741.900.8833.04600.9232.481.051.2133.60750.7131.6901.9133.34900.7631.8701.9532.73

圖3 氣流組織示意圖Fig.3 Schematic diagram of airflow

5　模擬結(jié)果

選擇氣流出風(fēng)角度由90°～16°，風(fēng)口與玻璃幕墻的間距為0.2～1.1 m進(jìn)行模擬。

5.1 當(dāng)風(fēng)口距墻面1.1 m時(shí)，出風(fēng)角度變化對幕墻內(nèi)表面結(jié)露的影響

圖5 S1/S隨出風(fēng)角度變化曲線Fig.5 The curve S1/S with change of the outlet angle

幕墻內(nèi)表面空氣的相對濕度云圖中深色區(qū)域表示相對濕度較小，淺色區(qū)域表示相對濕度大于90%，此時(shí)，內(nèi)壁面溫度接近幕墻附近空氣的露點(diǎn)溫度，最容易結(jié)露。當(dāng)θ=90°時(shí)，幕墻內(nèi)表面的空氣相對濕度均大于65%，相對濕度大于90%的區(qū)域主要集中在玻璃幕墻上方區(qū)域。隨著出風(fēng)角度的減小，幕墻內(nèi)表面淺色區(qū)域逐漸縮?。划?dāng)θ=45°時(shí)，幾乎未見淺色區(qū)域出現(xiàn)；當(dāng)θ=30°時(shí)，幕墻下側(cè)出現(xiàn)了容易結(jié)露的區(qū)域；當(dāng)θ=16°時(shí)，內(nèi)表面空氣相對濕度大于40%，達(dá)到 90%的區(qū)域又增多，且主要集中在玻璃幕墻的距地面2 m以下的范圍。

圖5所示為不同的出風(fēng)角度下，玻璃幕墻內(nèi)表面溫度接近附近空氣露點(diǎn)溫度的區(qū)域面積(S1)占玻璃幕墻總面積(S)的百分比的曲線圖。從圖中可知，S1隨著出風(fēng)角度的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)出風(fēng)角度θ在30°～45°內(nèi)，S1只占1%左右，預(yù)示圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面基本未結(jié)露。

5.2 改變空調(diào)送風(fēng)口與玻璃幕墻的間距對結(jié)露的影響

圖6顯示，當(dāng)送風(fēng)口的出風(fēng)角度為30°和45°，風(fēng)口與玻璃幕墻之間的距離在0.2 m～1.1 m時(shí)，S1/S的值都維持在1%～2%左右。當(dāng)出風(fēng)角度大于45°時(shí)，S1隨著間距的增大而提高；當(dāng)出風(fēng)角度為16°時(shí)，風(fēng)口與玻璃幕墻間距越大，S1/S就越小。

圖6 出風(fēng)角度不同時(shí)，S1/S隨風(fēng)口與玻璃幕墻的間距變化曲線Fig.6 The curve S1/S with change of the distance between air vent and glass when the outlet angle of the wind is different

6　結(jié)論

在室內(nèi)游泳池或其它高溫高濕環(huán)境下，合理安排空調(diào)送風(fēng)的氣流組織方式可有效避免外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)大面積結(jié)露的現(xiàn)象。

研究表明，當(dāng)出風(fēng)角度為90°、風(fēng)口與玻璃幕墻間距為1.1 m時(shí)，對室內(nèi)泳池進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)玻璃幕墻上出現(xiàn)較大面積的結(jié)露現(xiàn)象。通過改變空調(diào)送風(fēng)口的出風(fēng)角度及風(fēng)口與玻璃幕墻的間距，并進(jìn)行數(shù)值模擬與理論計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1)隨著出風(fēng)角度增大，玻璃幕墻內(nèi)表面處空氣相對濕度大于90%的區(qū)域呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

2)當(dāng)風(fēng)口與玻璃幕墻的間距為0.2m～1.1m，出風(fēng)角度在30°～45°時(shí)，玻璃幕墻內(nèi)表面溫度接近附近空氣露點(diǎn)溫度的區(qū)域占幕墻總面積的百分比均小于2%,基本避免玻璃幕墻上出現(xiàn)大面積結(jié)露的現(xiàn)象。

3)當(dāng)出風(fēng)角度為16°時(shí)，風(fēng)口與外墻的間距越大，越有利于避免外圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露，當(dāng)出風(fēng)角度大于45°時(shí)，風(fēng)口與外墻的間距越小，結(jié)露區(qū)域面積越小。

4)當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻和墻體間隔組成時(shí)，風(fēng)口應(yīng)布置在正對玻璃幕墻的位置上，以提高幕墻內(nèi)表面溫度，降低結(jié)露的可能性。當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻或墻體時(shí)，相鄰風(fēng)口之間的間距對玻璃幕墻內(nèi)表面結(jié)露的影響值得進(jìn)一步研究。

本文受上海市滬江基金(D14003)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Hujiang Found of Shanghai (No. D14003).)

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About the corresponding author

Niu Zhen, female, master degree candidate, School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, +86 15000873452, E-mail: 505372765@qq.com. Research fields: the technology of refrigeration and air-conditioning.

Analysis of Condensation on the Envelope Surface in the Environment with High Temperature and Humidity

Wang Jin1Niu Zhen1Liu Jianhua1Wang Jinxin1Wu Ji1Huang Junhui2Kang Shengwang3

(1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. China Haisum Engineering Co., Ltd., Shanghai, 200031, China; 3. Trane Air Conditioning System (China) Co., Ltd., Suzhou, 215413, China)

Moisture condensation appears on enclosure structure especially on the inner face of glass curtain walls due to high humidity and high temperature. Through analysis of condensation on the envelope surface with high temperature and high humidity by field measurement and combination of theoretical calculation and numerical simulation, the distance between the air vent and curtain wall and the outlet angle of the supply air are concluded as key influential factors. When the distance ranges from 0.2 m to 1.1 m and the outlet angle is between 30° to 45°, large area of condensation on glass curtain wall could almost be avoided; when the outlet angle of the supply air is 16°, the larger the distance between the air vent and curtain wall is, the less the condensation on envelope structure will be; while the outlet angle of the supply air is more than 45°, the less the distance between the air vent and exterior wall is, the less condensation will appear.

environment with high temperature and humidity; moisture condensation; air distribution; field measurement; numerical simulation

0253-4339(2016) 01-0095-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.095

2015年5月19日

TB61+1；TU111.4+3

A

簡介

牛臻，女，碩士在讀，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，15000873452，E-mail：505372765@qq.com。研究方向：制冷與空調(diào)技術(shù)。