谢 勇 罗清海 李光辉 龙正熠

南华大学土木工程学院

0 引言

随着农村经济水平的提高，对优良的室内环境质量要求也逐渐变高。室外空气温湿度与室内壁面温度是影响室内热湿环境的三个重要指标。在“回南天”和梅雨季节，温度较高的室外湿空气遇到温度较低而又不吸水的室内壁面时，易在壁面产生凝结水，会给居民生产和生活带来严重困扰。通常表现为：增加建筑能耗、降低人体舒适度、影响室内卫生健康、导致建筑设备出现故障和影响建筑使用寿命。荆州属于亚热带季风气候，和广大冬冷夏热地区一样，在“回南天”也会在农宅首层地面出现严重返潮结露情况。因此，采取高效节能的防潮措施对于人们的生产生活显得尤为重要。

1 案例农宅实验测试及数据处理

选取实测的房间进行分析，房间一层平面图如图1所示：

房间的层高为3.5 m，对卧室、卫生间和客厅进行了“回南天”的返潮结露实测：卧室的返潮现象比较严重，卧室是供人休息和睡眠的重要场所，重点选择将卧室作为研究对象来提出相应改善措施。

2021 年3 月16 日这一天是荆州农村地区“回南天”，室内返潮现象比较严重，以返潮结露严重时间段10-18 h 为例进行分析。这一时间段室内外特点：室外天气阴；外温（19～28 ℃）；风力3～4级。

各测点情况：1 号测点，客厅墙角边；2 号测点，洗手间洗手台旁；3 号测点，卧室中部；4 号测点，农宅外。使用的仪器有2 台UNT-T 温湿度自记仪、热电偶和水银温度计。实测情况如图2～5所示。

图2 客厅1号测点

图3 洗手台旁2号测点

图4 卧室3号测点

图5 农宅外4号测点

每隔1 h实测一次数据，数据见表1所示。

对表1中数据解释如下：

表1 各房间3月16日10-18 h室内外参数汇总表

续表

1）测试用水银温度计（精度为0.1 ℃）进行校核，发现热电偶所测温度与水银温度计所测温差为0.5 ℃左右，相差不是很大，且热电偶精度更高，水银温度计读数时可能还会有一定的读数误差，综合考虑，仍采用热电偶所记录温度数值进行计算；

2）相较于其他墙体，北墙结露风险更大，故本次实测选取室内北墙布置测点，为简化后续计算和模拟，不考虑墙体之间温度的差异性；

3）实测室内已经尽可能避免室内湿源和人为因素的干扰；

4）实测是为了对比室内露点温度和室内壁面温度大小，判断室内壁面结露情况；对比室外露点温度与室内壁面温度大小，判断室外湿空气进入室内对室内房间影响情况等。

2 不同防返潮节能措施

2.1 利用生石灰防返潮结露措施

采用生石灰吸潮时，生石灰会变成熟石灰，整个过程化学反应方程式如下：

当生石灰的量为500 g 时，根据方程式计算得出所需的用水量为160.71 g。

对于室内返潮时房间的除湿量，计算公式如下：

其中：

W——所需的除湿量（kg/h）；

1.2——安全系数（损耗）；

ρ——空气密度（kg/m3），一般取1.2；

V——场所体积；

X2——除湿前空气的绝对湿度；

X1——除湿后空气的绝对湿度；

1 000——g换算为kg。

根据人的舒适度要求，用生石灰除湿后的相对湿度人居标准为60%左右，干燥标准为50%左右。

绝对湿度与相对湿度转化关系如公式（2）：

其中：

f——空气中水蒸气绝对湿度；

W——相对湿度值；

F——在同样湿度下空气饱和水蒸气量，g/m3。饱和水蒸气量如表2所示。

表2 饱和水蒸气量表

将3 月16 日所测的返潮严重时间段室内相对湿度值和温度值代入公式(1)和公式(2)，得到卧室、客厅和卫生间除湿所需生石灰量，如表3～5 所示。从表中可以看出，对于18 m2的客厅，室内返潮严重时段10-18时所需要的生石灰量为12.517 kg；对于5.57 m2的卫生间室内除湿需要的生石灰总量为3.953 kg；对于23.93 m2的客厅室内除湿所需要的生石灰总量为15.893 kg，通过生石灰价格调查，生石灰价格大概是0.35 元/kg，故上述生石灰总共花费为11.33 元，在一般返潮结露情况下可能费用更低，且全年返潮日数不算太多，故在农村地区采用生石灰除湿的年费用在500 元左右，相比空调等机械设备除湿更经济，证明农宅室内除湿时传统加生石灰的方式确实是可行的，但对于面积特别大的房间，特别是城市建筑不太实用。

表3 卧室除湿所需生石灰量汇总表

表4 客厅除湿所需生石灰量汇总表

表5 卫生间除湿所需生石灰量汇总表

2.2 改变通风换气次数防返潮结露措施模拟

在返潮天气，室内开窗通风对室内返潮结露凝结量有重大影响，为探究在室内返潮情况下，开窗通风是否具有对室内湿环境改善的作用，结合实测数据，进行计算和分析。

《农村居住建筑节能设计标准 GB/T 50824-2013》规定，夏热冬冷地区农村居住建筑的卧室、起居室等主要功能房间夏季通风换气次数应取5 h-1，且其标准说明房间换气次数可达到5 h-1以上。考虑到农村住宅自然通风换气次数也不会太多，且方便进行数据比对，本案例农村自然通风换气次数最大取 10 次 h-1；依据陈宇红等人［1］的研究，我国住宅等自然通风民用建筑的室内通风换气次数集中为0.3～0.4 h-1，考虑农村住宅气密性较差，故取其门窗关闭时的通风换气次数为0.5 h-1。

由于数值模拟的房间为一层带平屋顶的单间，没有适宜的现有建筑去测量房间屋顶内表面温度，且主要研究对象为室内地面和墙体内表面的结露返潮情况，且不考虑墙体之间温度的差异性，故依据以下近似处理和假定，对屋顶内表面温度进行粗略的估值：

1）假定室外墙壁表面发射率与屋顶外表面发射率相同；

2）房间高度为3.5 m，当时室外风力为2～3级，掠过屋顶外表面的风速与掠过室外墙壁的风速相差不会太大，故假定屋顶外表面与室外墙壁的对流换热系数相同；

3）假定室外墙壁热惰性与室内墙体及屋顶热惰性相近，室内空气对围护结构温度影响较小；

4）假定该房间设计符合设计标准，依据规范［2-3］查得，屋顶传热系数应小于 1.0 W/(m2·K)，屋顶厚度在190～290 mm 之间，即屋顶传热热阻较小；

5）假定屋顶为均质屋顶，水平方向上屋顶各截面温度相同。

综上所述，屋顶外表面温度与内表面温度相差不大，屋顶外表面温度与室外墙壁温度相差不大，故将屋顶内表面温度粗略取值为室外墙壁温度值。对墙体内表面平均温度的处理：

依据文献［4］，均匀墙体表面温度分布规律符合正态分布规律，为简便计算，取墙体表面最低温与最高温的算术平均值作为墙体的平均温度值。在计算中，假定墙体为均匀墙体，其温度分布服从正态分布，墙体表面最低温取实测墙面温度（测点距离地面20 cm），墙体表面最高温取与屋顶内表面接触的墙顶温度，忽略热桥及其他热影响，即取屋顶内表面温度值为墙体表面最高温度值。

针对以上的假设，对实测卧室进行模拟研究。

2.2.1 物理模型的建立

选取实测的卧室作为模拟对象，卧室2扇窗，尺寸都是宽1.2 m，高1.5 m；卧室2扇门：外门宽1 m，高2.1 m；内门宽0.9 m，高2.1 m，为了不考虑相邻房间影响，画物理模型时只考虑了向室外开的门，房间处于单开窗状态。房间墙、窗的具体参数如表6所示。

表6 实测卧室墙、窗参数

针对此卧室所作物理模型简化如下：

1)室内无内热源和其它湿源影响；

2)房间各壁面传热均匀，不考虑壁面之间温度的差异性；

3)不考虑通过玻璃对太阳辐射散热内部各壁面之间辐射的影响。

房间结构如图6所示。

图6 卧室物理模型

2.2.2 数学模型

1)三大方程

质量守恒方程：

任何流动都必须满足质量守恒方程。对于不可压流体，质量守恒方程如下：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

2)组分输运方程

室内气体可以看作是由水蒸气及干空气组成的混合气体。室内湿空气随气流不断进行对流和扩散，整个过程用组分输运描述为：

其中：

Yi——混合物中第i种组分的质量分率；

Ri——化学反应的净产生速率；

Si——离散相及用户定义的源项引起的额外产生速率；

Ji——第i种组分的扩散通量，Ji=-ρDi，m∇Yi，其中Di，m为第i种组分的质量扩散系数。

3)湍流模型

在Reynolds 时均方程法中，k-ε两方程湍流模型应用最广。湍流模型目前有多种模拟方法，采用应用最广泛的标准k-ε 模型。

2.2.3 网格划分

利用ICEM CFD 软件，进行结构化网格划分，同时对窗（入口边界）和门(出口边界)进行局部加密处理，网格整体质量在0.8以上，如图7所示，这些区域网格密，而室内中部网格疏。这样可以在保证计算精度的条件下，提高计算的精准性。

图7 模型结构化网格图

2.2.4 边界条件

选取所测当日13时的实测数据，依据上述对壁面温度的处理，不同通风换气次数下的室内外状态参数如表7所示。

表7 卧室13 h室内外参数

来流速度计算公式：

其中：

n为通风换气次数；V为卧室体积，经计算卧室体积为63 m3；S为开窗面积，开一扇窗面积经计算为1.8 m2。

边界条件如表7。入口取速度入口（从窗进入），出口取压力出口（从门流出）。

模拟松弛因子选用默认松弛因子进行设置，当残差不收敛时，适当调整松弛因子使得残差达到稳定状态。

2.2.5 模拟结果分析

不同通风换气次数下的室内相对湿度分布情况见图8所示。

图8 单开窗不同通风换气次数下室内湿度场云图

从不同通风换气次数下的室内湿度分布情况可以看出，随着通风换气次数的增加，室内湿环境状况逐渐变得不理想，地面结露受潮情况越来越严重；从图9 看出，随着通风换气次数的增加，室内空气的露点温度与壁面温度的差值总体呈变大的趋势，室内越来越潮湿，说明此时通风换气次数的提高并没有使房间湿环境得到有效的改善，而人们通常所认知的，在室内热湿环境不理想的情况下可以利用自然通风改善的方式在返潮天气并不适用。

图9 露点温度与壁面温度随通风换气次数改变的变化

自然通风可以对室内热湿环境起到改善作用是有针对性的，在夏季适当气候条件、地理条件及适宜时段的自然通风可以有效改善室内热湿环境，如夏季夜间自然通风。朱国涛等人［5］利用FLUENT软件分别研究了不同时段的自然通风对合肥地区室内热环境的影响，结果表明在所模拟的夜间通风时段21:00 至次日5:00，室内环境温度平均温降为5.9 ℃左右，降温效果明显，而5:00-9:00 自然通风时段室内环境温度平均温降为2.5 ℃左右，此时的自然通风对室内热环境的改善效果不如夜间时段的自然通风。在潮湿天气下，由于农村建筑周围多为泥土地面，植被相对茂盛，农村建筑周边会较长时间处于潮湿状态，此时开窗会使得室外高湿度的空气进入室内，有可能加重室内结露和潮湿，反而不利于室内湿环境的改善。

3 结论

以荆州典型农宅作为研究对象，利用除湿量计算公式算出不同房间在所测时段室内除湿所需的生石灰量，并预估了一年所需的生石灰总费用，与采用空调等机械设备除湿相比更经济，证明农宅小房间可以采取生石灰除湿方式，对于城市建筑和农宅大面积房间此方法不可行。

对屋顶内表面温度和墙体内表面平均温度进行近似处理，利用CFD 软件模拟了卧室在所测时段13 h 不同通风换气次数下的湿度场变化，得出结论：

随着通风换气次数的增加，室内湿环境状况变得不理想，地面返潮情况越来越严重，与人们有关返潮天气下通风改善室内湿环境认知相悖，此时应该采用空调等机械除湿设备进行除湿。