朱軼韻,韓　艷,桑國臣

(西安理工大學 土木建筑工程學院,陜西 西安 710048)

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西北鄉(xiāng)村建筑冬季墻體構造界面結露研究

朱軼韻,韓艷,桑國臣

(西安理工大學 土木建筑工程學院,陜西 西安 710048)

西北地區(qū)冬季嚴寒干燥,室內外熱濕環(huán)境差異顯著,由于鄉(xiāng)村建筑體形系數(shù)大,冬季墻體結露問題較為突出。結合對鄉(xiāng)村建筑冬季最冷月室內熱狀況的調研與測試,以寧夏地區(qū)鄉(xiāng)村建筑為例,采用穩(wěn)態(tài)熱濕傳遞分層分析法,解析墻體構造界面的結露特點與影響因素。結果表明:墻體構造方式對構造界面結露情況影響較大,其中無保溫和外保溫節(jié)能構造墻體不易出現(xiàn)結露,而內保溫節(jié)能構造墻體的構造界面結露風險較大,并且保溫層厚度越大,界面結露越嚴重。

西北地區(qū); 鄉(xiāng)村建筑; 構造界面; 結露

西北地區(qū)地處內陸,屬于溫帶大陸性氣候,冬季嚴寒、空氣干燥,特殊的氣候條件增大了鄉(xiāng)村建筑圍護結構結露的風險。墻體結露現(xiàn)象易造成圍護結構發(fā)生霉變,形成霉菌,惡化室內環(huán)境,對建筑居住者的身體健康造成危害,并會損壞建筑結構,影響建筑使用壽命[1]。已有研究對圍護結構內表面結露現(xiàn)象關注較多,但對構造界面的內部結露現(xiàn)象關注較少[2],故難以對墻體防結露設計進行有效指導。本文以寧夏中衛(wèi)地區(qū)為例,根據(jù)當?shù)剜l(xiāng)村建筑圍護結構受到的熱濕作用,對該地區(qū)鄉(xiāng)村建筑圍護結構內表面和構造各界面結露情況進行了綜合分析。

1　鄉(xiāng)村建筑及其室內外熱狀況調研

寧夏自治區(qū)中衛(wèi)市位于西北腹地,處于寧、甘、蒙三省區(qū)交匯地帶,其氣候特征與建筑形式均具有西北地區(qū)的代表性[3]。該地區(qū)常年氣壓較低,年平均氣壓為876.1 hPa[4],年平均相對濕度54.7%[4],年平均氣溫5 ℃～10 ℃[4]。該地區(qū)冬季寒冷漫長,室內溫濕度較高,水蒸氣分壓力較大。室外溫濕度較低、水蒸氣分壓力較小,水蒸氣由內向外滲透,易在圍護結構表面或內部發(fā)生冷凝或結露。

課題組于2015年1月對寧夏中衛(wèi)地區(qū)鄉(xiāng)村建筑進行了實地調研測試。當?shù)亟ㄖ鈮Χ酁?70 mm粘土實心磚,內外20 mm厚抹灰,墻體熱阻為0.5(m2·K)/W,傳熱系數(shù)為1.54 W/(m2·K)。通過熱像儀測得典型鄉(xiāng)村建筑堂屋墻體表面溫度分布,如圖1所示。

圖1　測試建筑外墻內壁面實景及溫度分布狀況Fig.1　Inside of test building exterior wall and real temperature distribution

由圖1可見,圍護結構內表面溫度最低為6.4 ℃,位于墻角部位;最高溫度為10.5 ℃,位于屋頂及外墻中心部位。對當?shù)噩F(xiàn)有建筑的調研測試可知:建筑屋面多采用現(xiàn)澆混凝土板加一定的保溫構造,屋面基本不會出現(xiàn)結露現(xiàn)象,因此研究側重于復合墻體構造界面及墻角等部位的結露問題。

2　室內露點溫度及墻體熱濕傳遞

2.1室內露點溫度

露點溫度是在大氣壓力一定、空氣含濕量不變的情況下,未飽和的空氣因冷卻而達到飽和狀態(tài)時的溫度,用td( ℃)表示[5]。

寧夏中衛(wèi)地區(qū)屬于寒冷氣候區(qū),根據(jù)“農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準(GB/T 50824—2013)”[6]和“民用建筑熱工設計規(guī)范(GB 50176—1993)”[7]對居住建筑室內熱環(huán)境的要求,鄉(xiāng)村建筑冬季室內計算溫度取14 ℃,室內相對濕度取60%。

相對濕度是指在某一溫度下空氣中的實際水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水蒸氣分壓力的百分比[5]。飽和水蒸氣分壓力是指密閉條件下水的氣相與液相達到平衡。飽和水蒸氣分壓力數(shù)值與溫度相關,當溫度上升時,對應的飽和水蒸氣分壓力隨之提高。相對濕度計算公式見式(1)。

(1)

式中,φ為空氣相對濕度;P為空氣的實際水蒸氣分壓力(Pa);Ps為同溫下的飽和水蒸氣分壓力(Pa)。

由文獻[5]可知,當室內空氣溫度為14 ℃時,所對應的飽和水蒸氣壓為1 597.2 Pa。進而由公式(1)得出:室內相對濕度為60%時的實際水蒸氣分壓力為958 Pa。由文獻[5]中的“飽和水蒸氣分壓力與露點溫度的對應關系”可知,當飽和水蒸汽分壓力為958 Pa時,其所對應的空氣溫度為6.3 ℃。因此,依據(jù)露點溫度的定義:該溫濕度條件下的鄉(xiāng)村建筑室內露點溫度為6.3 ℃。

2.2墻體內表面溫度與最易結露月份

(2)

式中,θn、tn和te分別為內壁面溫度(℃)、室內空氣計算溫度(℃)和室外空氣計算溫度( ℃);Rn為內壁面換熱阻,取0.11(m2·K/W);R0為墻體傳熱阻,是傳熱系數(shù)K的倒數(shù)(m2·K/W)。

(3)

式中,ξ為比例系數(shù),取1.73[7]。

基于文獻[4]給出的當?shù)囟靖髟率彝鈿庀髷?shù)據(jù),利用公式(2)、(3)及當?shù)貙嶋H建筑墻體熱工參數(shù),計算冬季各月份最不利條件下建筑墻面及墻角內表面溫度。

冬季各月份最不利室外氣象條件下建筑墻面及墻角內表面溫度情況,見圖2。

圖2　冬季各月份圍護結構內表面溫度Fig.2　Surface temperatures of building envelope in winter

由圖2可見,冬季各月墻面內表面溫度均明顯高于室內露點溫度,不易產(chǎn)生結露現(xiàn)象,而墻角內表面溫度在冬季各月最不利室外氣象條件下均低于室內露點溫度。同時,由圖2中的外墻內表面溫度變化情況可以看出,外墻體內表面溫度和外墻角內表面溫度存在逐月變化的規(guī)律。其中,11月的外墻體內表面溫度及墻角內表面溫度最高,12月及2月兩種內表面溫度有所降低,1月兩種內表面溫度均達到最低值,故1月是最易發(fā)生結露的月份。

2.3墻體構造界面溫度與水蒸氣分壓力

節(jié)能墻體構造較為復雜,通常是由多種不同性能的材料層復合而成。由于最冷月份(1月)建筑外墻的室內外兩側溫濕度差異較大,因此熱量和水蒸氣會經(jīng)墻體由內向外傳遞。室內外熱濕傳遞的影響因素有所不同,熱傳遞是受材料層的熱阻影響,而濕傳遞是受材料層的水蒸氣滲透阻影響,墻體材料的各界面層會發(fā)生溫濕度的非同步變化。因此,構造界面的結露與否,需綜合考慮界面層的溫度及水蒸氣分壓力情況。

墻體構造界面的溫度θm及水蒸氣分壓力Pm計算見式(4)和(5)[5]。

(4)

(5)

構造界面的飽和水蒸氣分壓力,根據(jù)Pm由文獻[5]附錄2查得。

在墻體構造界面上,當計算的實際水蒸氣分壓力大于飽和水蒸氣分壓力時,就會在界面上發(fā)生冷凝現(xiàn)象[5]。

3　墻體結露分析與討論

3.1墻體構造方式

綜合考慮到當?shù)丶夹g經(jīng)濟條件和材料資源狀況,本文選取4種墻體構造,就不同保溫構造和墻體厚度對墻體結露的影響進行分析,其中保溫材料選取水泥膨脹珍珠巖,其價格低廉,導熱系數(shù)小,對于鄉(xiāng)村地區(qū)具有較強的適應性。四種墻體構造組成和熱工參數(shù)見表1。

表1　4種墻體構造組成和熱工參數(shù)

注:①圍護結構的內表面換熱阻取0.11(m2·K)/W,外表面換熱阻取0.04(m2·K)/W[7];②表1中“構造1”的總傳熱阻為0.489(m2·K)/W,總水蒸氣滲透阻為2 730.16(m2·h·Pa)/g;“構造2”的總傳熱阻為0.650 (m2·K)/W,總水蒸氣滲透阻為3 968.25 (m2·h·Pa)/g;“構造3”和“構造4”的總傳熱阻均為0.966 (m2·K)/W,總水蒸氣滲透阻均為4 280.29 (m2·h·Pa)/g。

3.2墻角結露分析

通過式(2)和式(3)計算表1中的4種墻體構造,在最冷月(1月份)時段的墻體內表面和墻角內表面溫度,并將其與室內露點溫度的對比分析,見圖3。

圖3　不同構造墻體內表面溫度Fig.3　Internal surface temperatures of different structural wall

由圖3可見,3種構造墻體墻面內表面溫度均高于室內露點溫度;構造1和構造2墻角內表面溫度低于室內露點溫度,構造3和構造4(內保溫和外保溫構造)墻角內表面溫度高于室內露點溫度。當墻厚由構造1中的240 mm增加到構造2中370 mm時,墻面及墻角內表面溫度均有所提高,可一定程度上通過增加墻體厚度提高墻體內表面溫度,有利于減少結露現(xiàn)象的發(fā)生;當采用節(jié)能保溫構造墻體可有效減少墻體內表面結露現(xiàn)象的產(chǎn)生。

但在采暖期間,室內空氣溫度較高,水蒸氣分壓力較大,經(jīng)圍護結構由內向外滲透,由于墻體各構成材料及保溫材料的水蒸氣滲透系數(shù)的差異和保溫層位置的不同,有可能在墻體內部出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象[8]。因此仍需進一步分析節(jié)能保溫墻體構造各界面是否會產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象

3.3墻體構造界面結露分析

由式(4)和(5)計算出以上4種墻體構造各界面在最冷月最不利室外條件下的實際水蒸氣分壓力和飽和水蒸氣分壓力,如圖4所示。

圖4　不同構造墻體各界面水蒸氣分壓力Fig.4　Water vapor pressures at different interfaces of different structures

由圖4可見,構造1(240 mm)、構造2(370 mm)和構造4(外保溫)墻體構造各界面實際水蒸氣分壓力均小于飽和水蒸氣分壓力,未發(fā)生冷凝現(xiàn)象。而在內保溫構造墻體保溫材料和基體墻材之間的界面實際水蒸氣分壓力大于飽和水蒸氣分壓力,出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。因此,外保溫構造墻體對于減少墻體內表面、墻角內表面和構造各界面結露現(xiàn)象的產(chǎn)生效果最為顯著;構造1和構造2通過調節(jié)墻體厚度雖可減少墻體內表面和構造各界面結露現(xiàn)象的產(chǎn)生,但對于減少墻角內表面結露現(xiàn)象的效果較弱,若不斷增加墻體厚度,由此帶來的經(jīng)濟成本隨之增加,其不太適宜于鄉(xiāng)村建筑;內保溫墻體構造相對于外保溫墻體構造對減少圍護結構出現(xiàn)結露現(xiàn)象的作用效果較弱,其雖可改善墻體和墻角內表面結露現(xiàn)象,但在墻體構造界面會產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象,對此,可嘗試通過調節(jié)保溫層厚度來改善其構造界面的冷凝現(xiàn)象。

3.4內保溫構造的保溫層厚度對結露影響

對于節(jié)能保溫構造墻體而言,保溫材料的性能、位置和厚度是影響墻體保溫效果的主要因素。本文提出的內保溫構造墻體,作為保溫材料的水泥膨脹珍珠巖熱工性能良好,因此保溫層厚度成為影響墻體保溫效果的關鍵因素?，F(xiàn)就保溫層厚度對內保溫墻體構造界面冷凝現(xiàn)象的影響進行分析,不同保溫層厚度的內保溫墻體構造界面在最冷月最不利室外條件下的實際水蒸氣分壓力和飽和水蒸氣分壓力的計算值如圖5所示。

圖5　不同保溫層厚度內保溫墻體構造各界面水蒸氣分壓力Fig.5　Vapor pressures on internal thermal insulation wall structure of each interface water with different heat preservation layer thicknesses

由圖5可見,通過調整保溫層厚度減少內保溫構造界面冷凝現(xiàn)象的效果不明顯。保溫層厚度越大,在內保溫構造墻體保溫材料和基體墻材之間的界面冷凝現(xiàn)象越嚴重;當保溫層厚度降低至10 mm時,內保溫墻體構造界面接近冷凝狀態(tài)。因此,從降低墻體內部出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象的角度考慮,內保溫構造不適宜于當?shù)剜l(xiāng)村建筑。

綜上所述,外保溫構造墻體對改善寧夏中衛(wèi)地區(qū)鄉(xiāng)村建筑圍護結構表面及內部的結露現(xiàn)象效果最為顯著;增加墻體厚度經(jīng)濟成本過大,不適宜鄉(xiāng)村建筑;內保溫構造墻體使得墻體內部易產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象,影響室內熱環(huán)境質量,不宜采用。

4　結　論

1) 西北鄉(xiāng)村建筑冬季室內外溫濕度相差較大,水蒸氣由內向外滲透,易在圍護結構表面或內部產(chǎn)生結露。根據(jù)對當?shù)噩F(xiàn)有建筑的調研測試發(fā)現(xiàn)其外墻面和外墻角部位內表面溫度明顯低于屋面,為結露易產(chǎn)生部位。

2) 鄉(xiāng)村建筑節(jié)能外墻最易發(fā)生結露現(xiàn)象的部位為墻角和墻體構造界面層,且冬季各月發(fā)生結露的風險有所不同,其中元月份最易發(fā)生結露。

3) 外保溫構造墻體可有效防止圍護結構內表面和內部出現(xiàn)結露;而內保溫構造墻體雖可一定程度降低墻角部位產(chǎn)生結露的幾率,但會使得墻體構造界面產(chǎn)生冷凝,且保溫層厚度越大冷凝愈嚴重。

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(責任編輯楊小麗)

Interfacial condensation of rural building external walls in Northwest Areas in winter

ZHU Yiyun,HAN Yan,SANG Guochen

(School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

It is very cold and dry in winter in northwest areas, and the differences of indoor and outdoor thermal and humidity are obvious. Due to the large rural building shape coefficient, the winter condensation of wall exists clearly. Based on survey and testing on indoor thermal conditions for the rural buildings in coldest months in winter, taking the rural buildings in Ningxia areas for examples, the paper employs the steady-state heat and moisture transfer stratified analysis method, and analyses the characteristics and influential factors of condensation of wall construction interface. Results show that the model of wall construction affects the condensation of construction interface greatly, of which the wall with non-insulation and external insulation energy saving structure is not easy for the condensation to occur, and that the construction interface of wall with internal insulation energy saving structure risks large condensation; accordingly, the thicker the thermal insulation layer is, the more serious the interfacial condensation appears.

Northwest Areas; rural building; construction interface; condensation

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.005

2016-03-05

國家自然科學基金資助項目(51278419,51378424)

朱軼韻,女,博士,副教授,研究方向為建筑節(jié)能、綠色建筑。E-mail:zyyun@xaut.edu.cn

TU241.4

A

1006-4710(2016)03-0278-05