農村住宅室內返潮防控節能措施探索

謝 勇 羅清海 李光輝 龍正熠

南華大學土木工程學院

0 引言

隨著農村經濟水平的提高，對優良的室內環境質量要求也逐漸變高。室外空氣溫濕度與室內壁面溫度是影響室內熱濕環境的三個重要指標。在“回南天”和梅雨季節，溫度較高的室外濕空氣遇到溫度較低而又不吸水的室內壁面時，易在壁面產生凝結水，會給居民生產和生活帶來嚴重困擾。通常表現為：增加建筑能耗、降低人體舒適度、影響室內衛生健康、導致建筑設備出現故障和影響建筑使用壽命。荊州屬于亞熱帶季風氣候，和廣大冬冷夏熱地區一樣，在“回南天”也會在農宅首層地面出現嚴重返潮結露情況。因此，采取高效節能的防潮措施對于人們的生產生活顯得尤為重要。

1 案例農宅實驗測試及數據處理

選取實測的房間進行分析，房間一層平面圖如圖1所示：

房間的層高為3.5 m，對臥室、衛生間和客廳進行了“回南天”的返潮結露實測：臥室的返潮現象比較嚴重，臥室是供人休息和睡眠的重要場所，重點選擇將臥室作為研究對象來提出相應改善措施。

2021 年3 月16 日這一天是荊州農村地區“回南天”，室內返潮現象比較嚴重，以返潮結露嚴重時間段10-18 h 為例進行分析。這一時間段室內外特點：室外天氣陰；外溫（19～28 ℃）；風力3～4級。

各測點情況：1 號測點，客廳墻角邊；2 號測點，洗手間洗手臺旁；3 號測點，臥室中部；4 號測點，農宅外。使用的儀器有2 臺UNT-T 溫濕度自記儀、熱電偶和水銀溫度計。實測情況如圖2～5所示。

圖2 客廳1號測點

圖3 洗手臺旁2號測點

圖4 臥室3號測點

圖5 農宅外4號測點

每隔1 h實測一次數據，數據見表1所示。

對表1中數據解釋如下：

表1 各房間3月16日10-18 h室內外參數匯總表

續表

1）測試用水銀溫度計（精度為0.1 ℃）進行校核，發現熱電偶所測溫度與水銀溫度計所測溫差為0.5 ℃左右，相差不是很大，且熱電偶精度更高，水銀溫度計讀數時可能還會有一定的讀數誤差，綜合考慮，仍采用熱電偶所記錄溫度數值進行計算；

2）相較于其他墻體，北墻結露風險更大，故本次實測選取室內北墻布置測點，為簡化后續計算和模擬，不考慮墻體之間溫度的差異性；

3）實測室內已經盡可能避免室內濕源和人為因素的干擾；

4）實測是為了對比室內露點溫度和室內壁面溫度大小，判斷室內壁面結露情況；對比室外露點溫度與室內壁面溫度大小，判斷室外濕空氣進入室內對室內房間影響情況等。

2 不同防返潮節能措施

2.1 利用生石灰防返潮結露措施

采用生石灰吸潮時，生石灰會變成熟石灰，整個過程化學反應方程式如下：

當生石灰的量為500 g 時，根據方程式計算得出所需的用水量為160.71 g。

對于室內返潮時房間的除濕量，計算公式如下：

其中：

W——所需的除濕量（kg/h）；

1.2——安全系數（損耗）；

ρ——空氣密度（kg/m3），一般取1.2；

V——場所體積；

X2——除濕前空氣的絕對濕度；

X1——除濕后空氣的絕對濕度；

1 000——g換算為kg。

根據人的舒適度要求，用生石灰除濕后的相對濕度人居標準為60%左右，干燥標準為50%左右。

絕對濕度與相對濕度轉化關系如公式（2）：

其中：

f——空氣中水蒸氣絕對濕度；

W——相對濕度值；

F——在同樣濕度下空氣飽和水蒸氣量，g/m3。飽和水蒸氣量如表2所示。

表2 飽和水蒸氣量表

將3 月16 日所測的返潮嚴重時間段室內相對濕度值和溫度值代入公式(1)和公式(2)，得到臥室、客廳和衛生間除濕所需生石灰量，如表3～5 所示。從表中可以看出，對于18 m2的客廳，室內返潮嚴重時段10-18時所需要的生石灰量為12.517 kg；對于5.57 m2的衛生間室內除濕需要的生石灰總量為3.953 kg；對于23.93 m2的客廳室內除濕所需要的生石灰總量為15.893 kg，通過生石灰價格調查，生石灰價格大概是0.35 元/kg，故上述生石灰總共花費為11.33 元，在一般返潮結露情況下可能費用更低，且全年返潮日數不算太多，故在農村地區采用生石灰除濕的年費用在500 元左右，相比空調等機械設備除濕更經濟，證明農宅室內除濕時傳統加生石灰的方式確實是可行的，但對于面積特別大的房間，特別是城市建筑不太實用。

表3 臥室除濕所需生石灰量匯總表

表4 客廳除濕所需生石灰量匯總表

表5 衛生間除濕所需生石灰量匯總表

2.2 改變通風換氣次數防返潮結露措施模擬

在返潮天氣，室內開窗通風對室內返潮結露凝結量有重大影響，為探究在室內返潮情況下，開窗通風是否具有對室內濕環境改善的作用，結合實測數據，進行計算和分析。

《農村居住建筑節能設計標準 GB/T 50824-2013》規定，夏熱冬冷地區農村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間夏季通風換氣次數應取5 h-1，且其標準說明房間換氣次數可達到5 h-1以上。考慮到農村住宅自然通風換氣次數也不會太多，且方便進行數據比對，本案例農村自然通風換氣次數最大取 10 次 h-1；依據陳宇紅等人［1］的研究，我國住宅等自然通風民用建筑的室內通風換氣次數集中為0.3～0.4 h-1，考慮農村住宅氣密性較差，故取其門窗關閉時的通風換氣次數為0.5 h-1。

由于數值模擬的房間為一層帶平屋頂的單間，沒有適宜的現有建筑去測量房間屋頂內表面溫度，且主要研究對象為室內地面和墻體內表面的結露返潮情況，且不考慮墻體之間溫度的差異性，故依據以下近似處理和假定，對屋頂內表面溫度進行粗略的估值：

1）假定室外墻壁表面發射率與屋頂外表面發射率相同；

2）房間高度為3.5 m，當時室外風力為2～3級，掠過屋頂外表面的風速與掠過室外墻壁的風速相差不會太大，故假定屋頂外表面與室外墻壁的對流換熱系數相同；

3）假定室外墻壁熱惰性與室內墻體及屋頂熱惰性相近，室內空氣對圍護結構溫度影響較小；

4）假定該房間設計符合設計標準，依據規范［2-3］查得，屋頂傳熱系數應小于 1.0 W/(m2·K)，屋頂厚度在190～290 mm 之間，即屋頂傳熱熱阻較小；

5）假定屋頂為均質屋頂，水平方向上屋頂各截面溫度相同。

綜上所述，屋頂外表面溫度與內表面溫度相差不大，屋頂外表面溫度與室外墻壁溫度相差不大，故將屋頂內表面溫度粗略取值為室外墻壁溫度值。對墻體內表面平均溫度的處理：

依據文獻［4］，均勻墻體表面溫度分布規律符合正態分布規律，為簡便計算，取墻體表面最低溫與最高溫的算術平均值作為墻體的平均溫度值。在計算中，假定墻體為均勻墻體，其溫度分布服從正態分布，墻體表面最低溫取實測墻面溫度（測點距離地面20 cm），墻體表面最高溫取與屋頂內表面接觸的墻頂溫度，忽略熱橋及其他熱影響，即取屋頂內表面溫度值為墻體表面最高溫度值。

針對以上的假設，對實測臥室進行模擬研究。

2.2.1 物理模型的建立

選取實測的臥室作為模擬對象，臥室2扇窗，尺寸都是寬1.2 m，高1.5 m；臥室2扇門：外門寬1 m，高2.1 m；內門寬0.9 m，高2.1 m，為了不考慮相鄰房間影響，畫物理模型時只考慮了向室外開的門，房間處于單開窗狀態。房間墻、窗的具體參數如表6所示。

表6 實測臥室墻、窗參數

針對此臥室所作物理模型簡化如下：

1)室內無內熱源和其它濕源影響；

2)房間各壁面傳熱均勻，不考慮壁面之間溫度的差異性；

3)不考慮通過玻璃對太陽輻射散熱內部各壁面之間輻射的影響。

房間結構如圖6所示。

圖6 臥室物理模型

2.2.2 數學模型

1)三大方程

質量守恒方程：

任何流動都必須滿足質量守恒方程。對于不可壓流體，質量守恒方程如下：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

2)組分輸運方程

室內氣體可以看作是由水蒸氣及干空氣組成的混合氣體。室內濕空氣隨氣流不斷進行對流和擴散，整個過程用組分輸運描述為：

其中：

Yi——混合物中第i種組分的質量分率；

Ri——化學反應的凈產生速率；

Si——離散相及用戶定義的源項引起的額外產生速率；

Ji——第i種組分的擴散通量，Ji=-ρDi，m?Yi，其中Di，m為第i種組分的質量擴散系數。

3)湍流模型

在Reynolds 時均方程法中，k-ε兩方程湍流模型應用最廣。湍流模型目前有多種模擬方法，采用應用最廣泛的標準k-ε 模型。

2.2.3 網格劃分

利用ICEM CFD 軟件，進行結構化網格劃分，同時對窗（入口邊界）和門(出口邊界)進行局部加密處理，網格整體質量在0.8以上，如圖7所示，這些區域網格密，而室內中部網格疏。這樣可以在保證計算精度的條件下，提高計算的精準性。

圖7 模型結構化網格圖

2.2.4 邊界條件

選取所測當日13時的實測數據，依據上述對壁面溫度的處理，不同通風換氣次數下的室內外狀態參數如表7所示。

表7 臥室13 h室內外參數

來流速度計算公式：

其中：

n為通風換氣次數；V為臥室體積，經計算臥室體積為63 m3；S為開窗面積，開一扇窗面積經計算為1.8 m2。

邊界條件如表7。入口取速度入口（從窗進入），出口取壓力出口（從門流出）。

模擬松弛因子選用默認松弛因子進行設置，當殘差不收斂時，適當調整松弛因子使得殘差達到穩定狀態。

2.2.5 模擬結果分析

不同通風換氣次數下的室內相對濕度分布情況見圖8所示。

圖8 單開窗不同通風換氣次數下室內濕度場云圖

從不同通風換氣次數下的室內濕度分布情況可以看出，隨著通風換氣次數的增加，室內濕環境狀況逐漸變得不理想，地面結露受潮情況越來越嚴重；從圖9 看出，隨著通風換氣次數的增加，室內空氣的露點溫度與壁面溫度的差值總體呈變大的趨勢，室內越來越潮濕，說明此時通風換氣次數的提高并沒有使房間濕環境得到有效的改善，而人們通常所認知的，在室內熱濕環境不理想的情況下可以利用自然通風改善的方式在返潮天氣并不適用。

圖9 露點溫度與壁面溫度隨通風換氣次數改變的變化

自然通風可以對室內熱濕環境起到改善作用是有針對性的，在夏季適當氣候條件、地理條件及適宜時段的自然通風可以有效改善室內熱濕環境，如夏季夜間自然通風。朱國濤等人［5］利用FLUENT軟件分別研究了不同時段的自然通風對合肥地區室內熱環境的影響，結果表明在所模擬的夜間通風時段21:00 至次日5:00，室內環境溫度平均溫降為5.9 ℃左右，降溫效果明顯，而5:00-9:00 自然通風時段室內環境溫度平均溫降為2.5 ℃左右，此時的自然通風對室內熱環境的改善效果不如夜間時段的自然通風。在潮濕天氣下，由于農村建筑周圍多為泥土地面，植被相對茂盛，農村建筑周邊會較長時間處于潮濕狀態，此時開窗會使得室外高濕度的空氣進入室內，有可能加重室內結露和潮濕，反而不利于室內濕環境的改善。

3 結論

以荊州典型農宅作為研究對象，利用除濕量計算公式算出不同房間在所測時段室內除濕所需的生石灰量，并預估了一年所需的生石灰總費用，與采用空調等機械設備除濕相比更經濟，證明農宅小房間可以采取生石灰除濕方式，對于城市建筑和農宅大面積房間此方法不可行。

對屋頂內表面溫度和墻體內表面平均溫度進行近似處理，利用CFD 軟件模擬了臥室在所測時段13 h 不同通風換氣次數下的濕度場變化，得出結論：

隨著通風換氣次數的增加，室內濕環境狀況變得不理想，地面返潮情況越來越嚴重，與人們有關返潮天氣下通風改善室內濕環境認知相悖，此時應該采用空調等機械除濕設備進行除濕。