高溫高濕環境室內圍護結構表面結露的分析

王 瑾　牛 臻　柳建華　王金鑫　吳 極　黃軍徽　康勝旺

(1 上海理工大學環境與建筑學院　上海　200093；2 中國海誠工程科技股份有限公司　上海　200031；3 特靈空調系統(中國)有限公司　蘇州　215413)

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高溫高濕環境室內圍護結構表面結露的分析

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 上海理工大學環境與建筑學院上海200093；2 中國海誠工程科技股份有限公司上海200031；3 特靈空調系統(中國)有限公司蘇州215413)

某些室內環境因空氣溫度高濕度大，造成外圍護結構尤其是玻璃幕墻內表面結露。通過采用現場實測、理論計算和數值模擬相結合的方法對高溫高濕室內圍護結構表面結露進行分析，發現空調送風口與幕墻之間的距離與送風口的出風角度是主要影響因素。當風口與玻璃幕墻間距在0.2～1.1 m，出風角度在30°～45°時，基本可避免玻璃幕墻上出現大面積結露；出風角度為16°時，風口與外墻的間距越大，越有利于避免外圍護結構結露；出風角度大于45°時，風口與外墻的間距越小，結露區域面積越小。

高溫高濕環境；表面結露；氣流組織；現場測試；數值模擬

某些特殊功能的室內常處于溫度高，濕度大的環境，例如室內游泳池，其外圍護結構常出現結露現象。特別是采用傳熱系數較大的玻璃幕墻作為外圍護結構，當室外溫度較低時，結露現象更為嚴重。結露不僅影響建筑的美觀，造成圍護結構腐蝕，裝飾材料發霉、脫落[1-2]，而且滋生細菌、霉菌[3]，影響室內環境品質[4]。

建筑外圍護結構表面結露的主要原因是圍護結構內表面溫度低于室內環境空氣的露點。要解決結露問題，應盡量提高圍護結構內表面溫度或降低圍護結構附近空氣的含濕量。解決的方法主要有三種：1)盡可能降低外圍護結構的傳熱系數，當圍護結構為墻體時，可增設保溫層、合理設置隔氣層等[5]，當圍護結構為玻璃幕墻時，傳熱系數則不能降到較小的范圍；2)改變空調送風參數[6]，即提高送風溫度、風速和降低送風的含濕量，但這種方法使用不當會影響室內空氣的參數[7]；3)改變室內空氣的氣流組織，包括風口的布置高度、相鄰風口的間距、風口與外墻的間距和風口的出風角度等。

1　游泳池概況

以上海市某酒店三樓室內泳池進行研究，該泳池面積602 m2，池水面積293 m2。泳池吊頂高度為3.5 m，池水區域吊頂高度為5 m。泳池南側的外圍護結構為玻璃幕墻，其它三面與酒店內走廊相鄰，頂部為四樓的樓板，池邊設置了休息區。

泳池外圍護結構由玻璃幕墻和墻體間隔組成，空調送風采用單層百葉條形風口下送，與玻璃幕墻中心正對，風口高度為3.5 m，水平間距為3 m，風口中心與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m；休息區一側采用圓形噴口沿水平方向側送風；回風采用單層百葉矩形風口，具體見圖1。

測試選擇在冬季最容易發生圍護結構內表面結露的時間段進行，表1～表3給出該游泳館內設計參數[8]及冬季送風參數。

表1建筑圍護結構熱工參數

Tab.1The thermal parameters of building envelope

圍護結構材料名稱傳熱系數/(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內墻蒸壓粉煤灰磚內墻1.69屋頂聚苯板保溫屋面0.47

表2游泳館內設計參數

Tab.2The indoor design parameters of swimming pool

干球溫度/℃相對濕度/%換氣次數水溫/℃29±150～75527±1

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

表3游泳館冬季送回風參數

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　泳池玻璃幕墻內表面結露情況實測

測試點應布置在靠近玻璃幕墻和人員行走或經常停留的區域。在靠近玻璃幕墻的區域，應在風口中心和兩相鄰風口連線中心下方分別布置測點。每個位置分別在距地面0.4 m、1.1 m和1.8 m的高度布置測點[9]。

選取8個測試位置共計24個測點進行測試，具體位置如圖1所示，其中測點1～測點4布置在靠近玻璃幕墻的區域，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5～測點8布置在人員活動區域，用于測量岸上人員活動區域的溫濕度及風速。采用E+E HUMLOG10溫濕度儀測試室內空氣溫濕度，SWP-NSR萬向微風速儀測試室內風速。測試時的室外環境干球溫度為-2 ℃，濕球溫度為-3.2 ℃，測試結果見表4。

測點5～測點8的數據顯示，人員活動區域的溫度均維持在28 ℃左右，相對濕度維持在65%左右，平均風速為0.19 m/s，滿足游泳館設計標準的要求。測點1～測點4的數據顯示，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，測點1和測點3的相對濕度均大于75%，在玻璃幕墻上出現了結露現象。

表4各測點的溫濕度與風速值

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　數值模擬驗證

為了展現室內的溫濕度場和流場變化，用數值模擬進一步分析玻璃幕墻內表面結露的影響規律。

3.1 室內流場控制方程

該泳池的流場是一個三維非定常，兩相流的湍流流動傳熱傳質過程[11]。實際的傳熱傳質過程雖然比較復雜，但仍遵循能量守恒、質量守恒及動量守恒三大定律。

由于流動處于湍流狀態，流場還應遵守湍流輸運方程。經過對比分析，選擇了標準k-ε模型[12]，該模型是目前應用較廣、接受檢驗最多、數值求解技術也最成熟的湍流模型[10]，而且對于室內氣流組織的模擬有較高的穩定性。

游泳館中存在大面積自由蒸發水面，室內空氣相對濕度大，水蒸氣和空氣的強烈混合擴散作用，使整個傳熱傳質過程必須遵循組分質量守恒定律。該定律表述為：系統內某種化學組分質量對時間的變化率，等于通過系統界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分的生產率之和，數學表達式為：

(1)

式中：c為組分的體積濃度；ρ為組分的密度，kg/m3；D為組分的擴散系數；S為系統內部單位時間單位體積該組分的生產率，kg/(m3·s)；

3.2 室內流場的物理模型

室內休息區的桌椅及服務區的吧臺對整個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[13]，人員的散濕量和池邊濕地的散濕量計入游泳池的池水散濕量[14]中一并計算，模型如圖2所示。

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

3.3 邊界條件設置

本泳池內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。邊界條件設置參數如表5所示。

3.4 模擬數據與實測數據對比

選擇風口與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m，風口出風角度為90°時各測點的模擬數據如表6所示。

表5邊界條件設置參數

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池水表面源項散濕量84kg/h,熱流密度-8.4W/m2矩形風口速度入口溫度36.8℃,速度3.5m/s,相對濕度24.2%圓形風口速度入口溫度36.8℃,速度6.0m/s,相對濕度24.2%回風口壓力出口出口壓力0Pa

表6各測點模擬數據

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

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

4　理論分析和計算

針對送風口的出風角度和風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行理論分析。

玻璃幕墻處采用條形送風口，擴散角α為16°5′[17]，當風口軸心與水平方向夾角θ大于α時，OA段為自由射流階段，風口出流至A點后，氣流斷面為CF，沿玻璃幕墻向下形成貼附射流階段ADE，此時，忽略氣流在A點轉向時的能量損失，亦不考慮室外環境溫度的影響。以風口與玻璃幕墻之間的距離為1.1 m為例，計算不同的出風角度下，A點、E點速度和溫度，結果如表7所示。表中：Te為周圍環境氣體的溫度，℃；To為風口出口斷面氣體的溫度，℃；vo為風口出口斷面氣體的速度，m/s；a為紊流系數，表示射流流動結構的特征系數；s為氣流射程，m；bo為平面射流風口半高度，m。

通過計算可知，隨著出風角度的增大，氣流軸心A點的速度和溫度先增大后減小，在θ=45°時達到最大值。當出風角度在30°～60°時，A點的高度基本位于玻璃幕墻中心區域，有利于兼顧玻璃幕墻上下兩方面的結露狀況。

表7理論計算結果

Tab.7Results of theoretical calculation

θ/(°)A點斷面平均速度v1/(m/s)A點斷面質量平均溫度T2/℃A點距地面高度h/mE點軸心速度vm/(m/s)E點軸心溫度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　模擬結果

選擇氣流出風角度由90°～16°，風口與玻璃幕墻的間距為0.2～1.1 m進行模擬。

5.1 當風口距墻面1.1 m時，出風角度變化對幕墻內表面結露的影響

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

幕墻內表面空氣的相對濕度云圖中深色區域表示相對濕度較小，淺色區域表示相對濕度大于90%，此時，內壁面溫度接近幕墻附近空氣的露點溫度，最容易結露。當θ=90°時，幕墻內表面的空氣相對濕度均大于65%，相對濕度大于90%的區域主要集中在玻璃幕墻上方區域。隨著出風角度的減小，幕墻內表面淺色區域逐漸縮小；當θ=45°時，幾乎未見淺色區域出現；當θ=30°時，幕墻下側出現了容易結露的區域；當θ=16°時，內表面空氣相對濕度大于40%，達到 90%的區域又增多，且主要集中在玻璃幕墻的距地面2 m以下的范圍。

圖5所示為不同的出風角度下，玻璃幕墻內表面溫度接近附近空氣露點溫度的區域面積(S1)占玻璃幕墻總面積(S)的百分比的曲線圖。從圖中可知，S1隨著出風角度的增大，呈現先減小后增大的趨勢，當出風角度θ在30°～45°內，S1只占1%左右，預示圍護結構內表面基本未結露。

5.2 改變空調送風口與玻璃幕墻的間距對結露的影響

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

圖6 出風角度不同時，S1/S隨風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　結論

在室內游泳池或其它高溫高濕環境下，合理安排空調送風的氣流組織方式可有效避免外圍護結構表面出現大面積結露的現象。

研究表明，當出風角度為90°、風口與玻璃幕墻間距為1.1 m時，對室內泳池進行現場實測，發現玻璃幕墻上出現較大面積的結露現象。通過改變空調送風口的出風角度及風口與玻璃幕墻的間距，并進行數值模擬與理論計算，得出以下結論：

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

2)當風口與玻璃幕墻的間距為0.2m～1.1m，出風角度在30°～45°時，玻璃幕墻內表面溫度接近附近空氣露點溫度的區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大面積結露的現象。

3)當出風角度為16°時，風口與外墻的間距越大，越有利于避免外圍護結構結露，當出風角度大于45°時，風口與外墻的間距越小，結露區域面積越小。

4)當外圍護結構為玻璃幕墻和墻體間隔組成時，風口應布置在正對玻璃幕墻的位置上，以提高幕墻內表面溫度，降低結露的可能性。當外圍護結構為玻璃幕墻或墻體時，相鄰風口之間的間距對玻璃幕墻內表面結露的影響值得進一步研究。

本文受上海市滬江基金(D14003)項目資助。(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，上海理工大學環境與建筑學院，15000873452，E-mail：505372765@qq.com。研究方向：制冷與空調技術。