德國節能設計標準外墻內表面熱阻的環境分析

劉 暢 金松濤 田起軍

(長春工程學院 建筑與設計學院， 長春 130000)

合理改善墻體隔熱性能不僅減少建筑的能耗，而且能夠提升建筑室內環境舒適度．環境的舒適與否由室內微氣候與人體表面的換熱平衡所決定，當由建筑創造的室內微氣候越接近人體熱舒適需求時，建筑就越舒適[1]．墻體內外表面熱阻和墻體材料的物理性質則是改善墻體隔熱性能、保證建筑舒適的原因之一．其中墻體熱阻參數值是建筑墻體材料物理性質中一個重要的熱工性能參數，它直接影響墻體的傳熱過程[2]．德國節能設計標準DIN4106中提出外墻內表面熱阻的概念，并將其分為無設施環境、窗簾環境、衣柜環境和壁柜環境等4個環境下的外墻內表面熱阻參數值，目的是為了考慮大多數居住建筑外墻內表面家具設置的可能性．我國民用建筑熱工規范中的外墻內表面并沒有考慮多環境下的外墻內表面參數值，只有單一的無設施環境下的外墻內表面參數值標準，這是導致居住建筑圍護結構在冬季使用過程中外墻內表面結露發霉的重要原因之一，也是影響我國居住建筑室內微氣候的原因之一．

因此本文通過對德國節能設計標準(DIN4106)中4種不同環境下的外墻內表面熱阻各個參數值進行數值模擬計算并對其結果進行對比分析，這對我國進一步改善建筑室內熱舒適環境，延長建筑圍護結構使用壽命，彌補我國現行的節能設計標準中的漏洞具有一定的意義．

1 理論分析及模擬實驗方法

1.1 理論基礎

1.1.1 外墻內表面熱阻

根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176-2016(以下簡稱為熱工規范)，維護結構表面換熱阻的概念為物體表面層在對流換熱和輻射換熱過程中的熱阻，是表面換熱系數的倒數[3]，也可以稱為表面熱阻．我國建筑外圍護結構的外表面換熱阻可取Re=0.04(m2·K)/W，外圍護結構的內表面換熱阻可取Ri=0.11(m2·K)/W．由圖1可以看出，當室外溫度為-10℃，室內溫度為20℃時，無壁柜環境下的的外墻內表面溫度可以達到將近20℃．可是同樣條件下，有壁柜環境下的外墻內表面溫度低于無壁柜環境下的外墻內表面溫度．其原因是有壁柜環境下的壁柜與外墻內表面存在一定范圍的靜止空氣層，這層靜止空氣層的保溫作用隔絕了室內熱空氣與外墻內表面的接觸，造成外墻內表面溫度低于無壁柜環境下的外墻內表面溫度，甚至低于露點溫度．圖2中可以看出除了無設施環境以外，窗簾、衣柜、壁柜3種室內環境都是物體與外墻內表面之間存在一定間隙．這些間隙相當于靜止的空氣層，而且各自環境的保溫能力也不一樣．為防止外墻內表面出現結露發霉現象，德國節能設計標準DIN4106中將內墻表面熱阻參數值分為4種，無設施環境為0.11(m2·K)/W，窗簾環境下為0.25(m2·K)/W，衣柜環境下為0.50(m2·K)/W，壁柜環境下為1.00(m2·K)/W．因此，居住建筑外墻內表面存在各式各樣的家具擺放，我國建筑熱工規范中單一的內表面換熱組參數值并不能涵蓋居住建筑室內所有處于不同環境下產生的表面熱阻．在采暖期期間，采用單一形式的外墻內表面熱阻標準，室內外的溫差所產生的熱傳遞和熱橋很容易導致外墻內表面墻中和墻角處溫度降到露點以下，最終造成外墻內表面結露甚至發霉，室內的空氣質量達不到標準，進而影響室內舒適度環境．

圖1 室內不同環境對內墻表面溫度影響的區別

圖2 4種內墻表面熱阻不同家具布置環境

1.1.2 露點溫度

露點溫度簡稱露點，其單位與氣溫相同．指的是空氣中飽和水汽開始凝結的溫度．在實際大氣中，空氣經常處于未飽和狀態，露點溫度常比氣溫低[4]．建筑圍護結構外墻直接接觸室外大氣，墻體外表面溫度在工程上可視為與室外溫度相同[5]．因此，室外大氣與外墻內表面的能量交換通過傳熱方式進行．計算露點溫度的方法為飽和水汽壓求逆．露點溫度與室內相對濕度息息相關，通過計算，室內的相對濕度越高，露點溫度也會越高(見表1)．

表1 露點溫度

根據我國熱工規范，冬季采暖室內計算溫度應取18℃，冬季室內熱工計算參數中相對濕度規定取值一般房間為30%～60%．因此進行數據分析時，將室內相對濕度為30%～60%環境下的露點溫度與外墻內表面溫度進行對比，并借助Heat2熱橋模擬軟件，提出我國嚴寒地區節能設計標準運用多種形式的內墻表面熱阻值的重要性．

1.1.3 我國嚴寒地區氣候條件

我國嚴寒地區外墻的傳熱耗熱量占圍護結構耗熱量的28%以上[6]，墻體熱阻值越低則耗熱量越大，越容易產生結露發霉現象．室內外墻內表面過多的發霉結露現象對建室內熱環境的舒適度極為不利．從建筑熱環境和人體熱舒適角度對室外氣候特征進行準確的數學描述是建立建筑氣候分析技術首先涉及的基礎問題[2]．

我國嚴寒地區主要分布在東北、內蒙古和西部部分地區，這些地區全年氣溫變化顯著，冬季室內外溫差可達到50℃．這對該地區的建筑物帶來了許多危害．建筑結構設計中涉及的作用包括直接作用(荷載)和間接作用，如果忽視了溫度的間接作用，會導致結構嚴重損傷，外墻圍護結構性能減退，并直接影響外墻內表面溫度的變化[7]．

與德國地區相比，我國嚴寒地區最低氣溫可達-40℃[8]．因此，本研究基于我國嚴寒地區的氣候條件，通過Heat2熱橋軟件進行計算，計算出外墻內表面墻中和墻角部位的溫度，并將其與露點溫度進行對比，進一步分析出我國嚴寒地區節能設計標準需要多種外墻內表面熱阻的參數值的迫切性．

1.2 模擬實驗方法及參數的設定

1.2.1 Heat2熱橋軟件

熱橋在現代建筑中普遍存在，不可避免．熱橋的影響在于其降低了墻體的平均傳熱熱阻，惡化了圍護結構內表面的溫度環境，使得墻體內表面結露，影響圍護結構的整體保溫效果[9]．熱橋可以通過熱工計算、模擬測試或者實測得出定量的結果．依據現在已有一些計算機模擬軟件，可以針對熱橋進行一維和二維傳熱實驗，顯現出在不同條件下熱橋部位的溫度與熱流狀況．

Heat2熱橋模擬軟件是由瑞典隆德大學和美麻省理工學院共同研發，用來對熱橋在穩態條件下進行細致的局部溫度、熱流分析和計算、被動房認證[10]．有研究表明，通過建立二維穩態模型對保溫體系中的典型熱橋進行了計算和分析，實驗結果表明了二維穩態模型的正確性[11]，且與非穩態模型相比，二維穩態模型能夠更加合理的評估對墻體表面溫度的影響程度．因此，本文針對外墻內表面墻中部位和墻角部位建立一維和二維模型，選用Heat2熱橋模擬軟件進行試驗研究，計算出我國嚴寒地區氣候條件下的外墻室內墻體最低溫度及熱流分布，同時對墻體最低溫度與露點溫度進行比較，從而進行定量分析．

1.2.2 模擬實驗參數設定

為保證模擬實驗結果的準確性和實際性，本研究基于我國熱工規范進行室內溫度和室外溫度的環境參數設定(見表2)．室內溫度取冬季采暖室內計算溫度18℃，室外溫度根據《熱工設計區屬及室外氣象參數表》溫度最低的室外計算參數取為黑龍江省漠河的-36.3℃．根據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 26-2010[6]，嚴寒地區外墻傳熱系數選用我國嚴寒(A)區外墻最低參數值．外墻材料中的外墻鋼筋混凝土設定值根據實際工程常用厚度值定為200mm．外墻鋼筋混凝土導熱系數為1.74 W/(m·K)，EPS保溫板導熱系數為0.039 W/(m·K)．

表2 環境參數值的設定

研究設定的模擬計算參數對建筑構件熱工性能的計算不僅能夠提高準確性和實際性，還更加直觀地表達出外墻內表面熱阻多種環境的參數值的重要性．

2 模擬實驗

由以上分析可知，德國節能設計標準DIN4106中無設施環境下的內表面熱阻參數值為0.11(m2·K)/W，與我國熱工規范中的內表面換熱阻參數值相同．表面熱阻作為阻抗傳熱能力的物理量，在保證空氣成分不變的情況下，僅與空氣層厚度有關．壁柜作為家居設計擺設，考慮到合理使用房間內的空間以及安裝方法，需貼墻擺設，此時與外墻內表面之間的空氣層厚度可視為一定．因此，德國節能設計標準DIN4106中4個環境下的內表面換熱阻參數值可以與我國室內實際情況相結合進行模擬實驗．

研究基于相對濕度30%～60%之間的露點溫度，針對我國居住建筑大多數室內墻面裝飾裝修設計中推行的乳膠漆墻面裝飾[12]進行研究，利用Heat2熱橋模擬軟件將德國節能設計標準中4種環境下的外墻內表面熱阻值與我國嚴寒地區最低氣溫和最低的傳熱系數相結合，計算出墻中部位和墻角兩個部位的溫度，最后將外墻內表面墻中和墻角部位的溫度與露點溫度進行對比分析．

圖3和圖4分別為利用Heat2熱橋模擬軟件制作出的外墻內表面墻中部位的一維穩態模型和墻角部位的二維穩態模型，環境設置參數相同，T=-36.3℃為嚴寒地區室外最低計算溫度，T=18℃為室內計算溫度．根據我國民用建筑熱工規范，R=0.04(m2·K)/W為外墻外表面熱阻參數值，R=0.11(m2·K)/W為外墻內表面熱阻參數值．

圖3 一維穩態模型的 圖4 二維穩態模型的模擬實驗 模擬實驗

2.1 外墻內表面墻中部位

結合嚴寒地區外墻傳熱系數參數值0.25(W/(m2·K))，4種環境下的外墻內表面熱阻值對外墻內表面墻中部位的影響具體數據如圖5所示．

圖5 4種環境下的外墻內表面熱阻值對外墻內表面墻中部位的影響

由圖5可知，4個環境下的外墻內表面墻中部位的溫度隨著室外溫度的升高而變高，二者關系為正比．其中無設施環境下的內表面溫度折線變化最小，窗簾環境和衣柜環境相對較大，而壁柜環境折線變化最明顯．與露點溫度相比，無環境設施、窗簾設施、衣柜設施的外墻內表面墻中部位都處于露點溫度以上，即全部高于室內相對濕度為60%的露點溫度10.1℃，結露的可能性非常低．在壁柜環境下，當室外溫度為-36.3℃時，壁柜環境下的外墻內表面墻中部位溫度低于相對濕度為41%的露點溫度4.6℃；當室外溫度位于-36.3～-14℃之間時，外墻內表面墻中部位的溫度低于相對濕度為60%的露點溫度10.1℃以下．由此可見，當室內布置壁柜家具環境時，外墻內表面墻中部位墻體結露發霉可能性非常大．

2.2 外墻內表面墻角部位

結合嚴寒地區外墻傳熱系數參數值0.25(W/(m2·K))，4種環境下的外墻內表面熱阻值對外墻內表面墻角部位的影響具體數據如圖6所示．

圖6 4種環境下的外墻內表面熱阻值對外墻內表面墻角部位的影響

由圖6可知，4個環境下的外墻內表面墻中部位的溫度隨著室外溫度的升高而變高，二者關系為正比．其中無設施環境下的內表面溫度折線變化最小，窗簾環境和衣柜環境變化相對較大，壁柜環境折線變化最明顯．無設施環境和窗簾環境下的外墻內表面墻角部位都處于露點溫度已上，結露的可能性非常低；當處于衣柜設施情況下，當室外溫度為-36.3℃時，外墻內表面墻角部位溫度低于相對濕度為53%的露點溫度8.3℃，當室外溫度位于-36.3～-25℃之間時，外墻內表面墻角部位的溫度全部低于相對濕度為60%的露點溫度10.1℃；在壁柜環境下，當室外溫度位于-36.3～-7℃之間時，外墻內表面墻角部位的溫度全部低于相對濕度為60%的露點溫度10.1℃．同時在室外溫度為-36.3℃時，墻角溫度低至0.5℃，低于相對濕度為31%的露點溫度0.7℃，這種情況非常容易產生結露發霉的現象．

2.3 試驗結果及分析

基于以上數據模擬計算，分析出外墻內表面墻中部位，當室內相對濕度為60%時，內墻表面熱阻參數值為0.11(m2·K)/W、0.25(m2·K)/W和0.5(m2·K)/W的環境下內表面溫度不會降到露點以下，此時無設施環境、窗簾環境和衣柜環境的內表面溫度受到室外溫度的影響最少，結露發霉的可能性相對較低；內墻表面熱阻參數值為1(m2·K)/W的內表面溫度受到室外溫度的影響最多，發霉結露的可能性最大．外墻內表面墻角部位，當室內相對濕度為60%時，內墻表面熱阻參數值為0.11(m2·K)/W和0.25(m2·K)/W的外墻內表面墻角溫度受到室外溫度的影響最少，結露發霉的可能性相對較低；內墻表面熱阻參數值為0.5(m2·K)/W的外墻內表面墻角溫度受到室外溫度的影響相對較多，在一定程度上會產生發霉結露的現象；內墻表面熱阻參數值為1(m2·K)/W的外墻內表面墻角溫度受到室外溫度的影響最多，此時結露發霉的可能性最大．由此可見，德國DIN4106標準中的4個環境下的外墻內表面參數值當中，衣柜環境和壁柜環境下的內墻表面熱阻對我國嚴寒地區的居住建筑外墻內表面墻中和墻角部位的表面溫度影響最深，在一定程度上說明了我國節能設計標準中的外墻內表面熱阻值的單一性，沒有充分考慮我國嚴寒地區居住建筑設置的家具環境的多樣化對室內舒適度的影響．

3 結論與展望

建筑圍護結構墻體熱阻是衡量墻體隔熱性能的一個重要指標，而外墻內表面熱阻則直接接觸室內空氣，是決定室內外墻內表面溫度的重要關卡．通過嚴寒地區的最低溫度和最低的外墻傳熱系數入手進行模擬實驗及試驗數據與露點溫度的對比分析，得出如下結論：

1)德國節能設計標準DIN4106中內含有4個家具環境設施下的外墻內表面熱阻值，但是其中壁柜環境下的外墻內表面熱阻值與我國嚴寒A區最低氣溫相結合得出的實驗結果中，大部分外墻內表面溫度仍然低于露點溫度，說明我國嚴寒地區的節能設計標準中外墻內表面熱阻值過于單一，對于我國嚴寒地區進行節能參數計算存在很大的隱患，很容易造成外墻內表面結露發霉的現象．

2)以我國室內相對濕度位于30%～60%之間為前提，當居住建筑室內外墻內表面為無環境設施和窗簾環境設施時，此時的德國節能設計標準中的外墻內表面熱阻參數值能夠輔助墻體參數設計，使墻體表面溫度高于露點溫度；為衣柜環境時，若涉及到墻角處，外墻內表面熱阻參數值不能夠輔助墻體參數設計，約1/3的室外溫度會使室內墻體表面溫度低于露點溫度；為壁柜環境時，此時的德國節能設計標準中的外墻內表面熱阻參數值不能夠輔助墻體參數設計，大部分的室外溫度會使室內墻體表面溫度低于露點溫度．

3)外墻內表面的墻角和墻中部位中，4種環境下的外墻內表面溫度與露點溫度對比結果顯示，墻角部位受到影響最大，也就意味著墻角部位發霉結露大于墻中部位．

4)隨著社會的發展和進步，室內家具裝修種類愈加多種多樣，大多數居住建筑的外墻內表面都會存在擺放各種各樣的家具的可能．我國《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》中的外墻內表面熱阻參數值只考慮了外墻內表面不存放家具的情況，這是造成我國嚴寒地區居住建筑外墻內表面結露發霉的重要原因之一．因此，提高對外墻內表面熱阻的認識，進一步完善我國節能設計標準中的外墻內表面熱阻參數值迫在眉睫．