高温高湿环境室内围护结构表面结露的分析

王 瑾　牛 臻　柳建华　王金鑫　吴 极　黄军徽　康胜旺

(1 上海理工大学环境与建筑学院　上海　200093；2 中国海诚工程科技股份有限公司　上海　200031；3 特灵空调系统(中国)有限公司　苏州　215413)



高温高湿环境室内围护结构表面结露的分析

王 瑾1牛 臻1柳建华1王金鑫1吴 极1黄军徽2康胜旺3

(1 上海理工大学环境与建筑学院上海200093；2 中国海诚工程科技股份有限公司上海200031；3 特灵空调系统(中国)有限公司苏州215413)

某些室内环境因空气温度高湿度大，造成外围护结构尤其是玻璃幕墙内表面结露。通过采用现场实测、理论计算和数值模拟相结合的方法对高温高湿室内围护结构表面结露进行分析，发现空调送风口与幕墙之间的距离与送风口的出风角度是主要影响因素。当风口与玻璃幕墙间距在0.2～1.1 m，出风角度在30°～45°时，基本可避免玻璃幕墙上出现大面积结露；出风角度为16°时，风口与外墙的间距越大，越有利于避免外围护结构结露；出风角度大于45°时，风口与外墙的间距越小，结露区域面积越小。

高温高湿环境；表面结露；气流组织；现场测试；数值模拟

某些特殊功能的室内常处于温度高，湿度大的环境，例如室内游泳池，其外围护结构常出现结露现象。特别是采用传热系数较大的玻璃幕墙作为外围护结构，当室外温度较低时，结露现象更为严重。结露不仅影响建筑的美观，造成围护结构腐蚀，装饰材料发霉、脱落[1-2]，而且滋生细菌、霉菌[3]，影响室内环境品质[4]。

建筑外围护结构表面结露的主要原因是围护结构内表面温度低于室内环境空气的露点。要解决结露问题，应尽量提高围护结构内表面温度或降低围护结构附近空气的含湿量。解决的方法主要有三种：1)尽可能降低外围护结构的传热系数，当围护结构为墙体时，可增设保温层、合理设置隔气层等[5]，当围护结构为玻璃幕墙时，传热系数则不能降到较小的范围；2)改变空调送风参数[6]，即提高送风温度、风速和降低送风的含湿量，但这种方法使用不当会影响室内空气的参数[7]；3)改变室内空气的气流组织，包括风口的布置高度、相邻风口的间距、风口与外墙的间距和风口的出风角度等。

1　游泳池概况

以上海市某酒店三楼室内泳池进行研究，该泳池面积602 m2，池水面积293 m2。泳池吊顶高度为3.5 m，池水区域吊顶高度为5 m。泳池南侧的外围护结构为玻璃幕墙，其它三面与酒店内走廊相邻，顶部为四楼的楼板，池边设置了休息区。

泳池外围护结构由玻璃幕墙和墙体间隔组成，空调送风采用单层百叶条形风口下送，与玻璃幕墙中心正对，风口高度为3.5 m，水平间距为3 m，风口中心与玻璃幕墙之间的距离为1.1 m；休息区一侧采用圆形喷口沿水平方向侧送风；回风采用单层百叶矩形风口，具体见图1。

测试选择在冬季最容易发生围护结构内表面结露的时间段进行，表1～表3给出该游泳馆内设计参数[8]及冬季送风参数。

表1建筑围护结构热工参数

Tab.1The thermal parameters of building envelope

围护结构材料名称传热系数/(W/(m2·K))外墙聚氨酯硬泡沫塑料保温墙0.74玻璃幕墙Low-E中空低辐射玻璃幕墙1.8内墙蒸压粉煤灰砖内墙1.69屋顶聚苯板保温屋面0.47

表2游泳馆内设计参数

Tab.2The indoor design parameters of swimming pool

干球温度/℃相对湿度/%换气次数水温/℃29±150～75527±1

图1　游泳池平面及测点布置图Fig.1 Schematic diagram of planar swimming pool and arrangement of measuring points

表3游泳馆冬季送回风参数

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

类型尺寸/mm高度/m温度/℃相对湿度/%风速/(m/s)单层百叶(送)400×2003.0圆形喷口(送)R=2503.836.824.23.56.0单层百叶(回)800×4003.0———

2　泳池玻璃幕墙内表面结露情况实测

测试点应布置在靠近玻璃幕墙和人员行走或经常停留的区域。在靠近玻璃幕墙的区域，应在风口中心和两相邻风口连线中心下方分别布置测点。每个位置分别在距地面0.4 m、1.1 m和1.8 m的高度布置测点[9]。

选取8个测试位置共计24个测点进行测试，具体位置如图1所示，其中测点1～测点4布置在靠近玻璃幕墙的区域，与玻璃幕墙的水平间距为0.03 m[10]，测量靠近玻璃幕墙处空气的温湿度；测点5～测点8布置在人员活动区域，用于测量岸上人员活动区域的温湿度及风速。采用E+E HUMLOG10温湿度仪测试室内空气温湿度，SWP-NSR万向微风速仪测试室内风速。测试时的室外环境干球温度为-2 ℃，湿球温度为-3.2 ℃，测试结果见表4。

测点5～测点8的数据显示，人员活动区域的温度均维持在28 ℃左右，相对湿度维持在65%左右，平均风速为0.19 m/s，满足游泳馆设计标准的要求。测点1～测点4的数据显示，玻璃幕墙附近空气温度基本都小于20 ℃；随着高度的升高，相对湿度逐渐升高。高度为1.8 m时，测点1和测点3的相对湿度均大于75%，在玻璃幕墙上出现了结露现象。

表4各测点的温湿度与风速值

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

温度/℃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风速/(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相对湿度/%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　数值模拟验证

为了展现室内的温湿度场和流场变化，用数值模拟进一步分析玻璃幕墙内表面结露的影响规律。

3.1 室内流场控制方程

该泳池的流场是一个三维非定常，两相流的湍流流动传热传质过程[11]。实际的传热传质过程虽然比较复杂，但仍遵循能量守恒、质量守恒及动量守恒三大定律。

由于流动处于湍流状态，流场还应遵守湍流输运方程。经过对比分析，选择了标准k-ε模型[12]，该模型是目前应用较广、接受检验最多、数值求解技术也最成熟的湍流模型[10]，而且对于室内气流组织的模拟有较高的稳定性。

游泳馆中存在大面积自由蒸发水面，室内空气相对湿度大，水蒸气和空气的强烈混合扩散作用，使整个传热传质过程必须遵循组分质量守恒定律。该定律表述为：系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和，数学表达式为：

(1)

式中：c为组分的体积浓度；ρ为组分的密度，kg/m3；D为组分的扩散系数；S为系统内部单位时间单位体积该组分的生产率，kg/(m3·s)；

3.2 室内流场的物理模型

室内休息区的桌椅及服务区的吧台对整个游泳池的气流组织影响很小，建模过程将其忽略。池水部分以饱和空气层代替池水作为散湿源项[13]，人员的散湿量和池边湿地的散湿量计入游泳池的池水散湿量[14]中一并计算，模型如图2所示。

图2 游泳馆模型Fig.2 Diagram of swimming pool model

3.3 边界条件设置

本泳池内墙和外墙为常热流固壁边界条件[15-16]，人体、池水及池边的散湿定义为源项。边界条件设置参数如表5所示。

3.4 模拟数据与实测数据对比

选择风口与玻璃幕墙之间的距离为1.1 m，风口出风角度为90°时各测点的模拟数据如表6所示。

表5边界条件设置参数

Tab.5Parameters of boundary condition

对象名称边界类型边界条件南外墙常热流热流密度-22.9W/m2南外窗常热流热流密度-55.8W/m2内墙常热流热流密度-15.2W/m2屋顶常热流热流密度-4.23W/m2池水表面源项散湿量84kg/h,热流密度-8.4W/m2矩形风口速度入口温度36.8℃,速度3.5m/s,相对湿度24.2%圆形风口速度入口温度36.8℃,速度6.0m/s,相对湿度24.2%回风口压力出口出口压力0Pa

表6各测点模拟数据

Tab.6Simulation data of each measuring point

温度/℃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相对湿度/%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

结果显示测点5～测点8的温度基本维持在27.6 ℃左右，与实测结果相差2.5%；相对湿度维持在78.4%左右，与实测结果相差3.8%；速度维持在0.16 m/s左右，与实测结果相比速度偏小，这是因为实测过程中受室内人员走动引起的干扰。测点1～测点4的温度平均值为17.6 ℃，与实测结果相差1.7%；相对湿度平均值为57.1%，与实测结果相差4.1%；不同高度的测点温湿度变化与实测结果基本一致，误差在允许误差范围内。

4　理论分析和计算

针对送风口的出风角度和风口与外墙之间的距离等因素对玻璃幕墙附近的气流组织进行理论分析。

玻璃幕墙处采用条形送风口，扩散角α为16°5′[17]，当风口轴心与水平方向夹角θ大于α时，OA段为自由射流阶段，风口出流至A点后，气流断面为CF，沿玻璃幕墙向下形成贴附射流阶段ADE，此时，忽略气流在A点转向时的能量损失，亦不考虑室外环境温度的影响。以风口与玻璃幕墙之间的距离为1.1 m为例，计算不同的出风角度下，A点、E点速度和温度，结果如表7所示。表中：Te为周围环境气体的温度，℃；To为风口出口断面气体的温度，℃；vo为风口出口断面气体的速度，m/s；a为紊流系数，表示射流流动结构的特征系数；s为气流射程，m；bo为平面射流风口半高度，m。

通过计算可知，随着出风角度的增大，气流轴心A点的速度和温度先增大后减小，在θ=45°时达到最大值。当出风角度在30°～60°时，A点的高度基本位于玻璃幕墙中心区域，有利于兼顾玻璃幕墙上下两方面的结露状况。

表7理论计算结果

Tab.7Results of theoretical calculation

θ/(°)A点断面平均速度v1/(m/s)A点断面质量平均温度T2/℃A点距地面高度h/mE点轴心速度vm/(m/s)E点轴心温度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

图3 气流组织示意图Fig.3 Schematic diagram of airflow

5　模拟结果

选择气流出风角度由90°～16°，风口与玻璃幕墙的间距为0.2～1.1 m进行模拟。

5.1 当风口距墙面1.1 m时，出风角度变化对幕墙内表面结露的影响

图5 S1/S随出风角度变化曲线Fig.5 The curve S1/S with change of the outlet angle

幕墙内表面空气的相对湿度云图中深色区域表示相对湿度较小，浅色区域表示相对湿度大于90%，此时，内壁面温度接近幕墙附近空气的露点温度，最容易结露。当θ=90°时，幕墙内表面的空气相对湿度均大于65%，相对湿度大于90%的区域主要集中在玻璃幕墙上方区域。随着出风角度的减小，幕墙内表面浅色区域逐渐缩小；当θ=45°时，几乎未见浅色区域出现；当θ=30°时，幕墙下侧出现了容易结露的区域；当θ=16°时，内表面空气相对湿度大于40%，达到 90%的区域又增多，且主要集中在玻璃幕墙的距地面2 m以下的范围。

图5所示为不同的出风角度下，玻璃幕墙内表面温度接近附近空气露点温度的区域面积(S1)占玻璃幕墙总面积(S)的百分比的曲线图。从图中可知，S1随着出风角度的增大，呈现先减小后增大的趋势，当出风角度θ在30°～45°内，S1只占1%左右，预示围护结构内表面基本未结露。

5.2 改变空调送风口与玻璃幕墙的间距对结露的影响

图6显示，当送风口的出风角度为30°和45°，风口与玻璃幕墙之间的距离在0.2 m～1.1 m时，S1/S的值都维持在1%～2%左右。当出风角度大于45°时，S1随着间距的增大而提高；当出风角度为16°时，风口与玻璃幕墙间距越大，S1/S就越小。

图6 出风角度不同时，S1/S随风口与玻璃幕墙的间距变化曲线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　结论

在室内游泳池或其它高温高湿环境下，合理安排空调送风的气流组织方式可有效避免外围护结构表面出现大面积结露的现象。

研究表明，当出风角度为90°、风口与玻璃幕墙间距为1.1 m时，对室内泳池进行现场实测，发现玻璃幕墙上出现较大面积的结露现象。通过改变空调送风口的出风角度及风口与玻璃幕墙的间距，并进行数值模拟与理论计算，得出以下结论：

1)随着出风角度增大，玻璃幕墙内表面处空气相对湿度大于90%的区域呈现先减小后增加的趋势。

2)当风口与玻璃幕墙的间距为0.2m～1.1m，出风角度在30°～45°时，玻璃幕墙内表面温度接近附近空气露点温度的区域占幕墙总面积的百分比均小于2%,基本避免玻璃幕墙上出现大面积结露的现象。

3)当出风角度为16°时，风口与外墙的间距越大，越有利于避免外围护结构结露，当出风角度大于45°时，风口与外墙的间距越小，结露区域面积越小。

4)当外围护结构为玻璃幕墙和墙体间隔组成时，风口应布置在正对玻璃幕墙的位置上，以提高幕墙内表面温度，降低结露的可能性。当外围护结构为玻璃幕墙或墙体时，相邻风口之间的间距对玻璃幕墙内表面结露的影响值得进一步研究。

本文受上海市沪江基金(D14003)项目资助。(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

简介

牛臻，女，硕士在读，上海理工大学环境与建筑学院，15000873452，E-mail：505372765@qq.com。研究方向：制冷与空调技术。