唐鳴放，錢慧博，方巾中

(重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400044)

濕熱地區(qū)農(nóng)村住宅地面的防潮和熱工性能

唐鳴放，錢慧博，方巾中

(重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400044)

濕熱地區(qū)農(nóng)村住宅存在室內(nèi)潮濕問題，地面發(fā)生凝結(jié)泛潮現(xiàn)象，影響室內(nèi)居住品質(zhì)和居民的身體健康?？刂频孛婺Y(jié)的基本途徑是提高地面溫度，這就需要確定農(nóng)村住宅地面防潮的熱工性能。以重慶農(nóng)村住宅為例，對室內(nèi)熱濕參數(shù)和地面溫度進行了實測分析，通過建立農(nóng)村住宅模型，對普遍使用的架空地面和保溫地面的防潮功能進行了模擬分析。結(jié)果顯示：架空地面防潮效果顯著，可減少地面凝結(jié)時數(shù)90%以上，基于架空地面的防潮效果被廣泛接受。提出農(nóng)村住宅保溫地面防潮的低限熱阻為0.5 m2·K/W。

農(nóng)村住宅；地面；凝結(jié)；熱阻；防潮

目前開展的農(nóng)村住宅熱環(huán)境研究中，多數(shù)是針對冬冷夏熱的室內(nèi)熱環(huán)境問題[1-6]，而對于濕熱地區(qū)，還存在室內(nèi)潮濕問題。濕熱氣候容易引起建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面凝結(jié)泛潮、室內(nèi)物品發(fā)霉、空氣質(zhì)量變差等問題，直接影響住宅居住品質(zhì)和人體健康，因此，建筑防潮是營造良好室內(nèi)熱濕環(huán)境的基本要求。在中國相關建筑標準規(guī)范中，對建筑防潮提出了明確要求，規(guī)定建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面無結(jié)露、發(fā)霉等現(xiàn)象[7]，居室地面下部宜采用保溫或架空做法[8]，地面宜采用蓄熱系數(shù)小的材料或帶有微孔的面層材料[9]。針對南方濕熱地區(qū)室內(nèi)地面的潮濕問題，人們總結(jié)出吸濕面層、地面架空、設置防潮層和間歇通風等防潮措施[10]。目前,普遍采用的防潮措施是地面架空和地面保溫，通過提高地面溫度防止地面發(fā)生凝結(jié)。但在廣大農(nóng)村地區(qū)，普遍實行住房自建方式，建筑成本低、質(zhì)量差，地面結(jié)露等圍護結(jié)構(gòu)的潮濕問題比較突出。在重慶部分農(nóng)村的調(diào)查顯示，室內(nèi)潮濕問題主要表現(xiàn)為季節(jié)性的地面泛潮，出現(xiàn)在4月—6月[11]，而在夏季高溫天氣，較低的地面溫度營造了底層房間較為舒適的熱環(huán)境[12]。這說明農(nóng)村住宅地面溫度既是造成室內(nèi)潮濕的不利因素，也是夏季室內(nèi)被動降溫的有利因素。因此，應對農(nóng)村住宅地面采用的防潮措施進行研究，確定合理的地面熱工性能。

采用地面保溫來控制凝結(jié)，并不是保溫越大越好。保溫過大，不僅增加成本，而且也阻隔了夏季地面低溫的利用。在建筑節(jié)能工程中，地面保溫通常要求熱阻大于1.2 m2·K/W[13]，這是針對室內(nèi)使用采暖空調(diào)的建筑。而大量的農(nóng)村住宅是依靠被動式方法營造室內(nèi)熱環(huán)境，控制地面凝結(jié)是保持室內(nèi)環(huán)境健康的要求，這就需要確定合理的地面熱工性能。采用架空地面是最常用的地面防潮措施，但在實際應用中架空層有通風和不通風的情況[14]，對地面溫度和防潮效果的影響有多大的差別，尚未見報道。因此，有必要對農(nóng)村住宅地面防潮措施的熱工性能進行研究。

筆者以濕熱地區(qū)的重慶農(nóng)村住宅為研究對象，對室內(nèi)熱濕環(huán)境進行測量分析，利用測量數(shù)據(jù)和DesignBuilder軟件建立農(nóng)村住宅模型，模擬水泥地面、保溫地面、架空地面3種工況下的室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)和地面溫度，比較不同情況下的室內(nèi)地面結(jié)露時數(shù)，分析不同措施的改善效果。

1 實測分析

1.1 實測建筑基本情況

重慶地處西南山地，農(nóng)村地域廣大，地形以山地丘陵為主，坡地面積較大，距離重慶主城區(qū)最近的江津區(qū)，多為丘陵地形，氣候與主城區(qū)接近。在江津區(qū)選取當?shù)氐湫娃r(nóng)村住宅進行調(diào)查和測量。當?shù)剞r(nóng)村住宅多為磚混建筑，普遍采取的防潮措施是在外墻根部修散水，建筑周圍挖排水溝疏導雨水。此外，還在地面構(gòu)造中鋪設塑料薄膜防潮層，用于阻止地下水向上滲透，但都未采取地面防凝結(jié)措施。

實測的典型住宅為農(nóng)民自建房，磚混結(jié)構(gòu)，建于2000年，坐北朝南，建筑面積約160 m2，居住者為祖孫3人。住宅的主體建筑為2層樓房，屋頂為預制空心樓板平屋頂，外墻為實心粘土磚墻，窗戶為木框單玻窗，室內(nèi)為水泥地面。主體建筑立面和平面如圖1所示。

圖1 建筑現(xiàn)狀圖Fig. 1 Tested building outlin

1.2 測量方法及數(shù)據(jù)處理

針對重慶的氣候特點和研究重點，在2016年選擇6月—7月進行測量，分析氣候潮濕期間地面結(jié)露情況和夏季高溫期間室內(nèi)溫度情況。測量主要針對住宅中的居住空間，對臥室進行熱濕參數(shù)采集，測量內(nèi)容為室內(nèi)空氣干球溫度、相對濕度，地面溫度，室外空氣干球溫度、相對濕度。室內(nèi)空氣溫濕度測點布置在房間中距地面高度為1.0 m左右的位置。地面溫度布置了3個測點，分別在靠近床沿下空氣流通的位置以及沙發(fā)和柜子旁的地面，以便不影響居住者的正常生活，地面溫度為各測點數(shù)據(jù)的平均值。室外空氣溫濕度測點布置在室外屋檐下空氣流暢、沒有直射陽光的位置。室內(nèi)測點位置見圖1(b)。地面溫度測量采用自記溫度計TR52，空氣溫濕度測量采用溫濕度記錄儀TR72U，儀器的溫度測量精度為±0.3 ℃、濕度測量精度為±5%，數(shù)據(jù)采集間隔設置為30 min。

利用室內(nèi)空氣干球溫度和相對濕度測量數(shù)據(jù)，計算室內(nèi)空氣的露點溫度。根據(jù)空氣干球溫度、相對濕度與水蒸氣分壓力的關系，按式(1)計算出空氣中的水蒸氣分壓力[15]，將其看成飽和水蒸氣分壓力，再計算出空氣干球溫度，即為空氣露點溫度。

(1)

式中：P為水蒸氣分壓力，Pa；φ為空氣相對濕度，%；t為空氣干球溫度，℃。

1.3 實測結(jié)果分析

結(jié)合測量期間的氣候條件和室內(nèi)地面的觀察，可以看出：6月份氣溫舒適、濕度大，室內(nèi)地面出現(xiàn)潮濕斑塊(見圖2(a))；7月份氣溫大幅升高，7月中旬和7月底出現(xiàn)連續(xù)高溫天氣，地面潮濕斑塊消失(見圖2(b))。選擇兩種典型天氣，即6月份的潮濕天氣和7月份的高溫天氣，將室內(nèi)空氣露點溫度與地面溫度相比較，進行地面凝結(jié)判斷，分析室內(nèi)地面的熱濕狀況。

圖2 地面濕狀態(tài)Fig. 2 Condition of ground humidit

圖3為6月份潮濕天氣的室內(nèi)溫度比較，可以看出，空氣干球溫度>露點溫度>地面溫度，平均值分別為27.4、25.8、24.5 ℃，地面溫度達到了凝結(jié)條件，出現(xiàn)了潮濕現(xiàn)象。

圖3 潮濕天氣室內(nèi)溫度(6月21)Fig.3 Indoor temperature on 21th, Jun

圖4為7月份高溫天氣的室內(nèi)溫度比較，此時地面溫度高于空氣露點溫度，地面顯示干燥狀態(tài)。在室外平均溫度為31.8 ℃的情況下，室內(nèi)空氣干球溫度和地面溫度的平均值分別為30.7、27.7 ℃，即地面溫度比空氣干球溫度低3 ℃，室內(nèi)溫度比室外溫度低1.1 ℃，說明地面溫度對室內(nèi)有降溫作用。

圖4 高溫天氣室內(nèi)溫度(7月24)Fig. 4 Indoor temperature on 24th, Jul

2 地面防潮模擬分析

2.1 地面熱濕分析及模擬方法

農(nóng)村住宅室內(nèi)地面潮濕的水分來源主要有兩方面：地下水在土層材料毛細管作用下滲透到地表面、室內(nèi)空氣中水蒸氣在地面凝結(jié)。目前，農(nóng)村中的磚混結(jié)構(gòu)住宅普遍采取了防地下水滲透的措施，因此，地面潮濕的根本原因是地面溫度低于空氣露點溫度，從而使空氣中的水蒸氣在地面凝結(jié)。由于地層的蓄熱性大，室外溫度對地層溫度影響的延遲時間長，導致春夏季節(jié)地層溫度低于室內(nèi)溫度，在溫差作用下，產(chǎn)生了從室內(nèi)→地面→地層的熱量傳遞。另一方面，地面材料為多孔介質(zhì)，在室內(nèi)熱濕環(huán)境作用下，不僅發(fā)生傳熱，還會發(fā)生吸濕、放濕和傳濕現(xiàn)象，是熱濕耦合傳遞過程。在室內(nèi)相對濕度比較高時，空氣中的水蒸氣向地面材料滲透、擴散，水蒸氣在材料毛細管壁表面吸附、凝結(jié)，并隨著含濕量的增加，毛細管內(nèi)形成液態(tài)水，釋放出相變熱，提高了材料溫度，而材料含濕量的增加使其導熱系數(shù)增大，提高了材料層的熱傳導。在室內(nèi)相對濕度比較低的時候，地面多孔材料處于放濕過程，材料毛細管中的液態(tài)水蒸發(fā)，水蒸氣向壓力低的方向擴散進入室內(nèi)。因此，地面溫度是室內(nèi)熱濕環(huán)境作用下材料熱濕耦合傳遞的結(jié)果，與單純的傳熱過程比較，地面溫度在吸濕階段偏高，在放濕階段偏低，多孔材料的調(diào)濕作用有利于減少地面凝結(jié)。

文獻[16]采用WUFI軟件模擬了農(nóng)村住宅地面在重慶氣候條件下的熱濕狀況，對幾種地面在考慮熱濕耦合傳遞與單純熱傳遞情況下地面溫度的差別進行了比較，其中，吸濕性地面的溫度差別較大，而水泥地面的溫度差別很小，可以忽略，這是因為水泥地面的密實性材料對水蒸氣的滲透系數(shù)很小。因此，模擬農(nóng)村住宅普遍使用的水泥地面溫度時，可以忽略材料傳濕作用。

農(nóng)村住宅地面溫度及地面凝結(jié)狀況由地層溫度、室內(nèi)干球溫度和相對濕度確定，而室內(nèi)熱濕環(huán)境受到室外氣候影響，與建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和室內(nèi)通風狀況有關，因此，模擬室內(nèi)地面潮濕狀況需要建立農(nóng)村住宅建筑模型，采用全年氣象數(shù)據(jù)模擬室內(nèi)地面溫度和室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)。在忽略材料傳濕的情況下，可以選用建筑熱環(huán)境和能耗分析軟件DesignBuilder進行模擬，采用重慶典型氣象年數(shù)據(jù)，包括室外干球溫度、濕球溫度、太陽輻射照度等氣候參數(shù)，通過模擬可以獲得建筑室內(nèi)全年逐時干球溫度和相對濕度以及建筑內(nèi)表面溫度，包括地面溫度，進行地面凝結(jié)分析。

在實測數(shù)據(jù)的基礎上，利用DB軟件建立農(nóng)村住宅模型，并利用測量數(shù)據(jù)對模型進行驗證，采用模擬研究的方法，進一步研究農(nóng)村住宅全年的室內(nèi)熱濕環(huán)境和地面結(jié)露狀況，分析架空地面、保溫地面對改善地面凝結(jié)的效果以及相關參數(shù)的影響。

2.2 建筑模型

以實測的農(nóng)村住宅為研究對象，按照其實際尺寸，利用DB軟件建立簡化模型(圖5)。建筑地面、墻體、門窗以及屋頂各部位構(gòu)造做法參照實際建筑設置，其中，屋頂、外墻、窗戶的傳熱系數(shù)分別為3.6、2.4 、4.7 W/m2·K。

圖5 建筑模型Fig. 5 Building simulation mode

采用重慶標準氣象年數(shù)據(jù)，并采用文獻[17]給出的重慶地區(qū)地下0.5 m處的各月平均溫度數(shù)據(jù)作為DB軟件模擬室內(nèi)地面溫度的依據(jù)。根據(jù)農(nóng)村住宅自然通風的特點，設置房間窗戶和大門全天開啟面積為50%。室內(nèi)人員、電器等內(nèi)熱源強度設置為4.3 W/m2。結(jié)合居民的實際使用情況，人員作息時間設置為：6:00—12:00在室外勞動等活動，12:00—15:00在房間午休，15:00—20:00在室外勞動等活動，20:00—6:00在房間休息睡覺。

2.3 模型驗證

為了反映農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境的實際狀況，利用測量數(shù)據(jù)對建筑模型進行驗證?？紤]到建筑和地面的熱惰性影響，選取7月份連續(xù)一周穩(wěn)定天氣條件下的測量數(shù)據(jù)，將其求逐時平均值，得到平均日室內(nèi)外測量數(shù)據(jù)。然后用平均日室外干球溫度和相對濕度測量數(shù)據(jù)替換重慶標準氣象年中7月份相似天氣的氣溫和相對濕度，以平均日為周期，進行周期性室內(nèi)熱環(huán)境模擬。用臥室空氣干球溫度、相對濕度、地面溫度的模擬值與實測值相比較進行驗證。對比結(jié)果如圖6所示，室內(nèi)空氣干球溫度、地面溫度的模擬值與實際測量值的平均誤差為3%，室內(nèi)空氣相對濕度模擬值與實際測量值的平均誤差為5%，所有參數(shù)模擬值與實測值的平均誤差都在5%的范圍內(nèi)，認為該模型比較可靠，可用作進一步模擬研究。

圖6 實測值與模擬值對比Fig. 6 Comparison of simulated and measured dat

2.4 模擬工況

基于驗證的建筑模型和重慶標準氣象年數(shù)據(jù)，針對水泥地面、架空地面、保溫地面3種工況，模擬分析從春季到夏季的室內(nèi)熱濕參數(shù)和地面溫度。3種工況中，架空地面和保溫地面是在原建筑模型設置的水泥地面構(gòu)造層中增加相應的材料層，其中，架空地面選取地面防潮普遍使用的架空層高度300 mm，設置了架空層的幾種通風情況，保溫地面選擇了全輕混凝土作為保溫層，設置了不同的保溫層厚度。3種工況的地面構(gòu)造材料見表1，其中，地面熱阻指夯土層以上的地面構(gòu)造層熱阻。

表1 地面構(gòu)造Table 1 Construction of ground

2.5 模擬結(jié)果分析

各種地面工況的模擬分析中，室內(nèi)空氣干球溫度、相對濕度和地面溫度取各房間模擬數(shù)據(jù)的平均值，代表建筑整體的室內(nèi)熱濕環(huán)境平均狀況進行分析。水泥地面的模擬結(jié)果代表在重慶標準氣象年條件下現(xiàn)有農(nóng)村住宅地面的熱濕狀態(tài)及潮濕程度，架空地面和保溫地面的模擬結(jié)果用于評價2種防潮措施對地面潮濕程度的改善。

2.5.1 水泥地面潮濕分析 模擬得到3月—8月水泥地面的室內(nèi)熱濕參數(shù)逐時變化值，各參數(shù)的日平均值變化如圖7所示。農(nóng)村住宅是自然通風建筑，室內(nèi)空氣干球溫度和相對濕度隨室外氣候變化，并與室外參數(shù)接近。受地面熱惰性的影響，室內(nèi)地面溫度低于空氣干球溫度，在升溫天氣表現(xiàn)更明顯。在4月—6月期間，出現(xiàn)了室內(nèi)露點溫度高于地面溫度的結(jié)露情況，而在7月—8月，隨著氣溫的持續(xù)升高，地面溫度高于露點溫度，地面為干燥狀態(tài)。圖8是室內(nèi)地面結(jié)露時數(shù)的分布，可以看出4月—6月出現(xiàn)持續(xù)的地面結(jié)露天氣，有些天氣還出現(xiàn)了全天24 h結(jié)露的情況，室內(nèi)地面潮濕狀況比較嚴重。

圖7 室內(nèi)熱濕參數(shù)Fig. 7 Indoor heat and humidity parameter

圖8 地面結(jié)露時數(shù)分布Fig. 8 Condensation hours distribution of groun

2.5.2 架空地面防潮分析 在架空地面的架空層中，設置了通風和不通風2種情況。架空層通風情況是在建筑正立面和背立面的架空層外墻上設置了通風口，通風口面積占立面架空層外墻面積的比例設置為20%、50%、100%共3種，帶有通風口的架空層設置自然通風模式，在自然通風狀態(tài)下影響室內(nèi)地面溫度，不通風的架空層則為密閉空氣層。

模擬結(jié)果顯示，架空地面對減少地面結(jié)露的效果很顯著。圖9為架空地面相對于水泥地面結(jié)露時數(shù)的減少率，各種架空地面對地面結(jié)露的減少率都在90%以上，架空層通風對地面結(jié)露的減少率增加很小，約為3%。這是因為架空層高度低，在自然通風狀態(tài)下從室外進入架空層的空氣流量比較少，架空層通風對地面溫度的影響也比較小。

圖9 架空地面結(jié)露減少率Fig. 9 Condensation reduction rate of ventilation groun

在實際中，常用架空地面的通風口面積比一般都小于20%，其防潮效果已被廣泛接受。根據(jù)模擬結(jié)果，這種常用的架空地面對地面結(jié)露的減少率為93%，也會出現(xiàn)少量零星分散的結(jié)露，這是因為模擬軟件未考慮材料的吸濕性。實際的農(nóng)村住宅地面材料具有一定的吸濕性，少量的結(jié)露容易被材料吸收，并在室內(nèi)溫度升高、濕度降低的時候釋放，不會出現(xiàn)潮濕問題。

2.5.3 保溫地面防潮分析 保溫地面是在水泥地面構(gòu)造層中增加保溫材料，提高地面構(gòu)造層的熱阻，阻隔構(gòu)造層以下夯土層低溫對室內(nèi)地面溫度的影響。設置保溫材料的厚度為20、40、60、80、100、120 mm等6種情況，對應的地面熱阻為0.14～0.52 m2·K/W，模擬得到不同保溫層厚度的地面結(jié)露時數(shù)相對于水泥地面的減少率，如圖10所示?？梢钥吹剑氐孛娼Y(jié)露的減少率隨保溫層厚度的增大而提高，當保溫層的厚度為80 mm、地面熱阻為0.37 m2·K/W以上時，地面結(jié)露的減少率增加緩慢。在保溫層的厚度為120 mm、地面熱阻為0.52 m2·K/W時，地面結(jié)露的減少率為94%，達到了架空通風地面的防潮效果。

圖10 保溫地面結(jié)露減少率Fig. 10 Condensation reduction rate of thermal

2.5.4 地面防潮熱工性能 保溫地面和架空地面的防潮原理都是提高地面溫度，其中架空地面的防潮效果已經(jīng)廣為接受，但架空地面通風情況下的熱工性能難以確定，因此，不能由架空地面給出地面防潮的熱工性能要求?？梢圆捎帽氐孛媾c架空地面防潮效果相等的方法，確定地面防潮的熱工性能。

以前面模擬計算的架空層高度為300 mm、通風口面積比為20%的架空地面的防潮效果作為農(nóng)村住宅的地面防潮要求，計算出與其等效的保溫地面的地面熱阻為0.5 m2·K/W，由此提出地面防潮的低限熱阻為0.5 m2·K/W。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)有農(nóng)村住宅地面未采取防凝結(jié)措施，在春夏過渡季節(jié)地面發(fā)生泛潮現(xiàn)象，在夏季高溫天氣地面產(chǎn)生降溫效果，因此，采用防潮措施的地面熱阻不宜過大。

2)架空地面的防潮效果隨架空層通風面積的增大而增大，高度為300 mm的架空層在通風與不通風的情況下，地面凝結(jié)時數(shù)減少率相差在5%以內(nèi)。

3)采用保溫防潮措施的地面熱阻應大于0.5 m2·K/W，可作為農(nóng)村住宅地面防潮設計的低限熱阻。

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Meteorological Data Room in Meteorological Information Center of China Meteorological Administration. China meteorological data for thermal environment analysis [DS]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2005: 42-43. (in Chinese)

2017-04-17

National Natural Science Foundation of China (No. 51478059)

AuthorbriefTang Mingfang (1957- ), professor, doctorial supervisor, main research interests: building energy saving and thermal environment, E-mail: tmf@cqu.edu.cn.

Thermalperformanceofgroundanti-condensationinruralresidenceinhotandhumidareas

TangMingfang,QianHuibo,FangJinzhong

(Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China)

There are humidity problems in rural residence in hot and humid areas and condensation occurred on the ground, which affects indoor living quality and health of residents. The basic way to control the ground condensation is to improve the ground temperature, and to determine the thermal performance of the ground. In this paper, thermal and moisture parameters as well as ground temperature of rural residence in Chongqing were measured and the rural residence model was established for simulating damp proof function of overhead ground and insulation ground. The results show that the effect of overhead ground on the damp proof is significant. It could reduce the time of condensation on the ground by more than 90%. Based on the fact that the effect of overhead ground on damp proof is widely accepted，it is proposed that the low thermal resistance of insulation ground for damp proof is 0.5 m2·K/W.

rural residence; ground; condensation; thermal resistance; anti-condensation

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.013

TU119.22

A

1674-4764(2018)01-0090-07

2017-04-17

國家自然科學基金(51478059)

唐鳴放(1957- )，女，教授，博士生導師，主要從事建筑節(jié)能與熱環(huán)境研究，E-mail:tmf@cqu.edu.cn。

(編輯 胡英奎)