围护结构内部冷凝验算中参数取值的合理性分析及对策_围护结构稳定性验算
分类:竞选演讲稿
时间:2019-04-12
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摘要:我国《民用建筑热工设计规范》(下文简称《规范》)规定了围护结构在一些情况下应该按照稳态条件下纯蒸汽渗透理论进行内部冷凝受潮验算。这种方法本身就比较粗略,而设计者实际应用中又常常对该方法的关键参数如室内外相对湿度、饱和蒸汽分压力等考虑不周,近似取值,因此所形成的误差累积效应会影响正确结果的得出。本文从蒸汽渗透的基本理论出发,对目前所存在的这些问题进行理论分析并提出各自的对策。 关键词:蒸汽渗透理论 相对湿度 冷凝验算 蒸汽分压力 建筑围护结构所隔开的室内外空气均是含有一定水分的湿空气。由于室内外存在着温度差、湿度差及压力差,使空气中的水分以气体和液体的形式在建筑围护结构中进行能量的、质量的迁移。该过程是一个相当复杂的物理过程,目前已经探索到的任何某种单一理论模型均不能概括某种多孔介质在所有条件下的湿传递。 《规范》中防潮验算方法的基本理论 1.1稳态条件下围护结构内部湿度分布理论 稳态条件下的纯蒸汽渗透理论是《规范》中防潮验算的根据,该理论的基本假设条件为: (1)室内外空气的水蒸气分压力都取为定值,不随时间而变化; (2)不考虑围护结构内部液态水分迁移; (3)不考虑热湿交换过程之间的相互影响; (4)各层材料是均匀的,各向同性的,忽略材料由于温度不同,含湿量不同引起的物性参数的变化。 根据以上简化,通过围护结构的蒸汽渗透量,与室内外的水蒸气分压力差成正比,与渗透过程中受到的阻力成反比。单位时间内通过单位面积的蒸汽量,蒸汽渗透强度可按下式计算: 围护结构材料层蒸汽渗透阻是指材料两侧水蒸气分压力差为1Pa时,通过lm2面积渗透1g水分所需要的时间何。应按下式计算: 围护结构的总蒸汽渗透阻H0: 围护结构内外表面的蒸汽渗透转移阻与材料本身的蒸汽渗透阻相比很小,可忽略不计。蒸汽渗透系数表明材料的透气能力,与材料的密实程度有关,材料的空隙率越大,透气性就越强。材料的蒸汽渗透系数与温度和相对湿度有关,计算中采用的是平均值。 围护结构内任一层内界面上的水蒸汽分压力,可按下式计算: m=2,3,4....... 式中 为从室内一侧算起,由第一层至第m-1层的蒸汽渗透阻之和。 1.2围护结构的内部冷凝判定 判别围护结构的内部是否会出现结露,可按以下步骤进行[1]: (1)根据室内外空气的温度和湿度,确定室内外水蒸汽分压力Pi和Pe,然后按上述“任一层内界面上的水蒸汽分压力”公式,计算出围护结构各层的水蒸气分压力。并作出水蒸气分压力P的分布曲线; (2)根据室内外空气的温度ti和te,确定围护结构各层的温度,查表1得出相应的水蒸汽饱和分压力Ps,并作出相应的曲线; (3)根据P线和Ps线是否相交来判定围护结构内部是否会出现结露现象。如果两线相交,则在交点所在的界面上产生凝结现象;反之,则不会在围护结构内部发生结露现象。如图1 无内部结露(b)有内部结露 图1 判别围护结构内部冷凝情况(来源:建筑物理[M]) 1、目前应用中常见的问题及分析 通过上述理论可以看出,选取合理的室内外温度和相对湿度,以及由此而查找准确的饱和蒸汽分压力值,是确定室内外水蒸汽分压力的关键环节。目前一般的做法为室外温度和相对湿度选取采暖期的室外温度的平均值和相对湿度的平均值,室内温度选取采暖计算温度,相对湿度则由于规范上没有明确给定的值而凭经验按40%~60%取。另外,按表1查找饱和蒸汽分压力时均把室内外的气压当标准大气压。按照这些原则来取参数是否合理,能否得出较准确的结论?下面将分别论述。 2.1 室内外温度的选取分析 规范中规定防潮验算时的室内温度取冬季室内计算温度18~20oC。实际在验算过程中,应该结合供暖情况,参考同类建筑累年的实际冬季室温进行选取。对于一些经常处于高温高湿的功能空间,例如厨房,应该单独进行防潮验算。室内温度的取值不但影响到各层界面温度,而且直接决定了室内空气中的蒸汽分压力大小。因此必须要在充分掌握相关数据的基础上合理确定。 2.2 室内外相对湿度的选取分析 规范中并没有明确给出室内的相对湿度取值。赵立华等[3]于1996~1998两个采暖季对哈尔滨某示范工程室内相对湿度进行了测试。室内空气相对湿度的平均值为35%.另外,《规范》在确定室内空气露点温度时,居住建筑室内空气相对湿度按60%采用,据此规定,可以认为冬季室内相对湿度60%的工况为设计工况(最不利工况),即冬季室内空气相对湿度一般不会超过60%.对于冬季只有采暖、没有空调的建筑,一般室内空气相对湿度较低,在30%~40%之间,有时甚至更低至20%.因此综合考虑各种因素建议按40%取值。实际上,单一的室内相对湿度并不能满足功能各异的房间的防潮验算,例如西安地区高校学生公寓冬季室内相对湿度甚至连20%都达不到,而一些空调建筑内的湿度则高于40%.所以应该对各种不同功能建筑的室内相对湿度进行长期的调研,建立数据库,防潮验算时就可以根据设定的条件选取合理的室内相对湿度。 2.3 饱和水蒸汽分压力的取值过程分析 当湿空气的相对湿度为100%时,水蒸汽的分压力即为饱和水蒸汽分压力。饱和水蒸汽分压力值是计算湿空气其他性质的基础,更是确定室内外水蒸汽分压力的初始值。因此它是否精确对下一步的计算分析有着重要意义。以西安地区为例,室外的气压值一般达不到标准气压,约只有0.98×105Pa.而在防潮验算中,会直接用所确定的室外温度去查表1求得该温度下的饱和水蒸汽分压力值,并不考虑压强的不同是否会造成影响。Goff公式证明这种做法是可以接受的,该公式表明湿空气的饱和水蒸汽分压力是空气温度的单值函数且呈指数函数关系。
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