浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(10): 1966-1976 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.10.014

土木工程

严寒地区被动房外墙传热系数

金松涛,, 刘畅, 王丽颖, 杨扬

Heat transfer coefficient of passive house exterior wall in cold area

JIN Song-tao,, LIU Chang, WANG Li-ying, YANG Yang

收稿日期: 2018-10-24  

Received: 2018-10-24  

作者简介 About authors

金松涛（1982一），男，博士，硕士生导师，从事建筑节能的研究.orcid.org/0000-0003-1145-5863.E-mail：jinsongtao622@163.com , E-mail：jinsongtao622@163.com

摘要

为了研究适用于我国严寒地区气候条件的被动房外墙传热系数，从我国严寒地区与德国气候条件的差异性入手，通过ISO和DIN等国际标准对4种不同环境下的外墙内表面热阻、热桥和发霉温度点等方面的理论进行全面介绍并分析. 运用Heat2热桥软件，计算德国被动房外墙设计标准使用在我国严寒地区气候条件时的外墙室内墙角温度. 将计算出的墙角温度与5种不同室内相对湿度环境下的发霉温度点进行对比分析. 计算结果表明，当内墙表面热阻为0.5和1.00（m2·K）/W时，墙角温度都低于发霉温度点以下. 基于我国气候条件，以发霉温度点为基准反向推导出5种不同室内相对湿度环境下的外墙传热系数，提出室内相对湿度为50%时的传热系数为适用于我国严寒地区被动房建筑的外墙传热系数.

关键词： 被动房 ; 内墙表面热阻 ; 外墙传热系数 ; 墙角表面温度 ; 室内相对湿度 ; 发霉温度点

Abstract

Starting from the differences of climatic conditions between China and Germany, the theories of thermal resistance, thermal bridge and mildewing temperature of exterior walls in four different environments were comprehensively introduced and analyzed by ISO and DIN International standards in order to analyze the heat transfer coefficients of passive exterior walls suitable for the climatic conditions in cold regions of China. Heat2 thermal bridge software was used to calculate the indoor corner temperature of the exterior wall of passive house when the German design standard for exterior wall of passive house was used in the climatic conditions of severe cold regions in China. The calculated wall corner temperature was compared with five mildew temperature points in different indoor relative humidity environments. Results showed that when the thermal resistance of the inner wall surface was 0.5 and 1.00 (m2·K)/W, the corner temperature was below the mildew temperature point. The heat transfer coefficients of the external walls under five different indoor relative humidity environments were deduced by using the mildew temperature point as the benchmark based on the climatic conditions in China. The heat transfer coefficients at 50% indoor relative humidity are the heat transfer coefficients of the external walls suitable for passive buildings in cold regions of China.

Keywords： passive house ; internal wall surface thermal resistance ; external wall heat transfer coefficient ; corner surface temperature ; indoor relative humidity ; moldy temperature point

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本文引用格式

金松涛, 刘畅, 王丽颖, 杨扬. 严寒地区被动房外墙传热系数. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(10): 1966-1976 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.10.014

JIN Song-tao, LIU Chang, WANG Li-ying, YANG Yang. Heat transfer coefficient of passive house exterior wall in cold area. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(10): 1966-1976 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.10.014

被动房最初是在德国研制而成，它的产生和发展，为高能效节能建筑设计提供了一条全新的思路. 所谓被动房，即不通过空调、暖气等主动式环境控制技术维持和调节室内温度，而是通过太阳能、新风系统等被动式技术保证室内达到人体的热舒适度的一种建筑形式[1]. 被动房的围护结构具有良好的保温隔热性和气密性，使其冬季凭借设备散热和人体散热维持室内温度，保证90%以上的室内供暖需求[2]. 德国被动房研究所[3]（Passive House Institute，PHI）基于德国和欧洲中部地区的气候分析制定了一套被动房设计标准，其中被动房外墙传热系数标准值为U ≤0.15 W/（m2·K）. 该标准值可以满足被动房外墙内表面温度，在多种围护结构内表面热阻环境和德国以及欧洲中部地区的室外气候条件下，高于发霉温度点，防止外墙内表面发霉现象，保证室内环境的舒适度. 中国严寒地区与德国和欧洲中部地区的气候存在较大差异，如纬度比德国低，温差变化大于德国地区，与德国地区相比，我国严寒地区冬季最低气温可达−40 °C[4]. 由于世界各个地区气候各异的原因，被动房外墙传热系数成为可动态调整的因素.

我国已有较多被动房项目已建成或施工中，严寒地区有哈尔滨-辰能•溪树庭院、沈阳-中德楼、乌鲁木齐-辛福堡等被动房项目. 国内针对这些示范项目墙体热工性能的研究多集中于节能技术的应用、探讨、介绍和测试数据等几个主要方面. 如王洪涛等[5-10]利用以上示范项目研究节能技术方面的应用、探讨或未来的发展趋势. 住房和城乡建设部[11]与王昭俊等[12-16]利用以上示范项目测试项目的室内空气温度或无设施的外墙内表面温度，研究冬季室内的环境. 目前还没有出现基于多种围护结构内表面热阻和发霉温度点，预防墙体发霉问题或墙体热工性能的研究.

德国以及建筑节能领域较先进的欧盟国家比露点温度更注重的是发霉温度点. 根据ENISO 13788和DIN4108对于墙体发霉问题的解释，控制外墙内表面温度高于空气露点温度不能有效地预防墙体发霉，更主要的是发霉温度点，而不是露点温度. 这些国际标准明确指出墙体结露与发霉的条件不同，墙体发霉比结露更早发生，不结露也可以发霉. 事实上，未结露的墙体存在发霉现象. 发霉温度点比露点温度高，所以满足发霉温度点可以同时满足露点温度.

本文针对我国严寒地区被动房外墙传热系数，基于我国严寒地区气候条件，运用Heat2热桥软件，结合多种围护结构内表面热阻和发霉温度点，研究适用于我国严寒地区的被动房外墙传热系数.

1. 外墙热工性能的考虑因素

1.1. 外墙热工性能

外墙传热系数以往称总传热系数. 国家现行标准规范统一定名为传热系数. 外墙传热系数和外墙材料性能有关，更主要的是取决于保温板厚度. 保温板厚度不够会导致外墙传热系数高，引发外墙热工性能差的问题. 在采暖期期间，室内外的温差所产生的热传递会导致外墙内表面和室内墙角处温度降到发霉温度点以下，最终造成外墙内表面结露甚至发霉，室内的空气质量达不到标准，影响室内环境舒适度.

德国PHI根据德国以及欧洲中部地区的气候条件和外墙内表面所处的不同热阻环境，规定被动房外墙传热系数标准值. 德国对外墙内表面分为4种不同形式的环境，分别为无设施环境、窗帘环境、衣柜环境及壁柜环境.

从图1可以看出，除了无设施环境以外，窗帘、衣柜、壁柜3种室内环境都是物体与外墙内表面之间存在一定间隙. 这些间隙是相当于静止的空气层，静止的空气层具有保温作用，所以这4种环境的内墙表面热阻都不同.

图 1

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图 1   内墙表面热阻不同环境示意图

Fig.1   Schematic diagram of different thermal resistance of internal wall


在外墙内表面不同热阻环境下，使外墙内表面从发霉温度点完全脱离，防止外墙内表面的温度降到发霉温度点以下，是德国PHI规定被动房外墙传热系数的主要考虑因素[17].

1.2. 内墙表面热阻的影响

围护结构表面热阻是围护结构两侧表面空气边界层阻抗传热能力的物理量.

我国室内墙体表面热阻标准的具体数值可以按《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）[18]取用. 根据我国实际气候状况可知，外围护结构的内表面热阻可取Ri=0.11 m2·K/W，外表面热阻可取Re=0.04 m2·K/W（冬季）或0.05 m2·K/W（夏季）. 一种形式的内表面热阻不能涵盖室内所有处于不同环境下产生的表面热阻.

如图2所示，当室外温度为−10 °C，室内温度为20 °C时，无壁柜的外墙内表面温度可以达到将近20 °C，有壁柜的外墙内表面温度相对较低. 壁柜与外墙内表面存在一层静止空气层，且静止的空气层具有保温作用；室内热空气无法接触外墙内表面，促使外墙内表面温度更低，甚至低于发霉温度点.

图 2

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图 2   室内不同环境对内墙表面温度影响的示意图

Fig.2   Schematic diagram of influence of different indoor environment on surface temperature of internal wall


在这种情况下，若继续沿用我国单一室内热阻标准，会存在有壁柜环境的外墙内表面温度等于无壁柜环境的外墙内表面温度的情况，这与实际不符. 采用单一形式的室内热阻标准，很容易造成外墙内表面产生发霉结露现象.

根据德国节能设计标准（DIN4106）可知，内墙表面热阻可以分为4种，无设施环境下为0.11 m2·K/W，窗帘环境下为0.25 m2·K/W，衣柜环境下为0.50 m2·K/W，壁柜环境下为1.00 m2·K/W.

德国PHI规定被动房外墙设计标准时是以德国气候条件和这4种不同外墙内表面热阻形式为基础，计算出U ≤0.15 W/（m2·K）的外墙传热系数. 该标准保证被动房外墙内表面温度在最差的环境下也不会降到发霉温度点以下，防止外墙内表面产生发霉现象，确保室内的空气质量和居住舒适度.

基于我国严寒地区气候条件，结合被动房外墙传热系数标准值与德国节能设计标准（DIN4106）的不同环境下的内表面热阻各个参数值，保证内墙表面温度不会降到发霉温度点的前提下，借助Heat2热桥软件，研究适用于我国严寒地区的被动房外墙传热系数.

1.3. 发霉温度点的影响

露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度. 当相对湿度为100%时，周围环境温度等于露点温度. 我国现有的规范往往通过控制相关参数，使外墙内表面温度高于空气露点温度，预防墙体发霉问题.

国际能源署（International Energy Agency，IEA）[19]将相对湿度80%定为霉菌孢子萌发的临界值，即在任意环境温度下，当相对湿度达到80%时，霉菌孢子不受环境温度的限制开始萌发. 基于国际能源署（IEA）的规定，德国PHI对发霉温度点的计算方法为：当已知室内温度和相对湿度时，发霉温度点可以依据标准大气压下不同温度时的饱和水蒸气分压力，用以下几个数学模型计算出来.

以下是已知室内温度和相对湿度时的发霉温度点计算过程.

求室内温度为20 °C、相对湿度为60%时的发霉温度点.

首先，根据我国《建筑设计资料集》[20]中提供的标准大气压下不同温度时的饱和水蒸气分压力表，可以找出室内温度为20 °C时的饱和水蒸气分压力，为2 337.1 Pa.

当前相对湿度为60%时的水蒸气分压力为

2 337.1 Pa × 60% = 1 402.26 Pa.

其次，假设当前相对湿度为60%时的水蒸气分压力为发霉温度点的饱和水蒸气分压力的80%.

发霉温度点的饱和水蒸气分压力为

Psat（θi）× 80% = 1 402.26 Pa，

Psat（θi）= 1 402.26 Pa/80% = 1 752.825 Pa.

式中：Psat（θi）为饱和水蒸气分压力.

水蒸气分压力1 752.825 Pa可以在饱和水蒸气分压力表中找到对应的温度，即室内温度为20 °C、相对湿度为60%时的发霉温度点：

θsimold = 15.4 °C.

德国以及节能领域较先进的国家早已采用该方法计算出发霉温度点，控制外墙热工性能参数.

基于以上数学模型，计算出当室内温度为20 °C，相对湿度为40%、45%、50%、55%、60%时的发霉温度点，将外墙内表面温度与发霉温度点进行对比分析.

1.4. 热桥的影响

热桥往往是由于该部位的传热系数比相邻部位大得多、保温性能差得多所致，在围护结构中是一种十分常见的现象[21]. 根据《民用建筑热工设计规范》，热桥定义为：围护结构的热桥部位是指嵌入墙体的混凝土或金属梁、柱，墙体和屋面板中的混凝土肋或金属件，装配式建筑中的板材接缝以及墙角、屋顶檐口、墙体勒脚、楼板与外墙、内隔墙与外墙连接处等部位.

德国PHI将热桥共分为3种，分别为线形热桥、点形热桥与几何形热桥. 其中几何形热桥是热传递面多于单个墙面部位，形成1/2或1/3室内空气与室外空气的对应（见图3）.

图 3

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图 3   几何形热桥部位热传递示意图

Fig.3   Schematic diagram of heat transfer at geometric thermal bridge


几何形热桥位于建筑围护结构中的墙角部位，外墙内表面墙角部位热传递覆盖面包括2个墙面和屋顶面（或地面），比外墙单个墙面热传递涉及的覆盖面多. 在寒冷季节，外墙平直部位只通过单个外墙面进行热传递，墙角处通过2个或3个外墙面同时进行热传递，且墙角内的空气流动速度较慢，接受室内热量比邻近的平直部位少，因此几何形热桥是热流密集、外墙内表面中温度最低的热桥部位. 由于该部位内表面温度较低，寒冬期间，根据不同的室内环境很容易降到发霉温度点以下，导致外墙室内墙角处长菌发霉，进而逐渐变黑. 热桥严重的部位在寒冬时甚至会淌水，影响到人们的生活与健康.

热桥的存在增加了建筑能耗，影响墙体的传热系数计算值[22]. 张淑红[23]分析热桥出现的部位与表面温度分布的一般规律，通过平均传热系数公式的演变，指出热桥是影响外墙平均传热系数的主要因素. 为了避免热桥的产生，可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果. 现在已有一些计算机模拟软件，可以显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况. 对几何形热桥产生的危害进行合理的规避设置，是十分重要的.

针对我国严寒地区的实际特点进行几何形热桥模拟实验和归纳总结，计算出防止被动房因几何形热桥所产生的墙体发霉的外墙传热系数，提高我国严寒地区被动房冬季外墙体保温隔热能力，达到被动房节能减排的效果.

1.5. 严寒地区气候条件的影响

由于各国气候背景的差异，我国严寒地区与德国的纬度不同，两地区气候差异很大. 德国冬季日均最低温度为0 °C，日均最高温度为5 °C，平均降水量为60 mm，平均降水天数为11天，夏季干燥，冬季温湿多雨. 我国地域广袤，一个气候区的面积相当于欧洲几个国家的面积，各个气候区的冷暖程度相差较大. 根据《建筑气候区划分标准》可知，我国气候一级区共划分为7个区，分别为Ⅰ严寒地区（1月平均气温≤−10 °C）、Ⅱ寒冷地区（1月平均气温为−10~0 °C）、Ⅲ夏热冬冷地区（1月平均气温为0~10 °C）、Ⅳ夏热冬暖地区（1月平均气温>10 °C）、Ⅴ温和地区（1月平均气温为0~13 °C）、Ⅵ严寒地区/寒冷地区（1月平均气温为0~−22 °C）、Ⅶ严寒地区/寒冷地区（1月平均气温为−5~−20 °C）7个区（见图4）.

图 4

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图 4   中国建筑气候区分布图

Fig.4   Distribution map of climatic zones in China


第Ⅰ、Ⅵ、Ⅶ建筑气候区位于我国北部，纬度最高，大部分处于北纬44~55 °C，地跨寒温带、中温带和暖温带，属于温带大陆性气候，气温特点如下：冬季漫长严寒，夏季短促凉爽，部分气候区长冬无夏. 这些气候区主要包括黑龙江省、吉林省、辽宁省、青海省、西藏、内蒙古以及新疆北部等地区，根据现行国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）的室外气象参数表可知，这些地区累年最冷月平均温度≤−10 °C或日平均≤5 °C的天数，一般在145 d以上地区. 由于北临北半球的冬季—东西伯利亚，冬季强大的冷空气南下，盛行寒冷干燥的西北风，成为同纬度地区各地中最寒冷的地区，与同纬度其他地区相比温度一般低15 °C左右[4].

为了使建筑物适应不同的气候条件，满足节能要求，应根据建筑物所处的建筑气候地区，研究适用于我国严寒地区被动房建筑围护结构合理的热工性能参数. 本文主要按照我国严寒地区的冬季气候条件，提出建筑围护结构的传热系数.

2. 热桥软件及计算环境参数设定

2.1. Heat2热桥软件

选用Heat2热桥软件针对外墙室内墙角，建立二维稳态模型，求解在我国严寒地区气候条件下的外墙室内墙角最低温度及热流分布，对几何形热桥所产生的最低温度点进行定量分析. 南艳丽等[24-25]研究指出关于热桥部位二维稳态模型研究比非稳态研究正确，而且更合理的评估对建筑节能的影响程度.

Heat2热桥软件是由瑞典隆德大学和美国麻省理工学院共同研发，采用显式有限差分的方法对稳态条件下热桥传热展开计算分析[26]. 该软件主要针对热桥部位进行细致的局部温度、热流分析和计算. 具有德国标准DIN（德国标准行业协会，德国标准V4108-4）200多种材料的材料库，覆盖全球1000多所大学和研究机构，如图5所示. 图中，θiw为外墙室内墙角温度.

图 5

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图 5   Heat2软件温度及热桥计算分析物理模型

Fig.5   Heat2 software temperature and thermal bridge calculation and analysis physical model


Heat2软件已在国际的实际案例中得到了广泛应用，其实用性具有较好的实验验证. William等[27-29]利用Heat2热桥软件，针对热桥部位、PHPP、真空绝热板墙体的保温性能进行测试，并在国际期刊上发表论文.

2.2. 计算环境参数设置

本研究室内热工计算参数定为德国被动房设计标准的20 °C，室外气象参数依据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）取值，如表1所示. 根据热工设计区属及室外气象参数表可知，温度最低的室外计算参数为黑龙江省漠河−36.3 °C.

表 1   环境工况及围护结构热工参数

Tab.1  Environmental conditions and thermal parameters of enclosure structure

参数 数值
室内温度 20 °C
室外最低温度 −36.3 °C
内墙表面热阻 0.11、0.25、0.5、1 m2·K/W
钢筋混凝土导热系数 1.74 W/（m·K）
EPS保温板导热系数 0.033 W/（m·K）

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内墙表面热阻源于德国节能设计标准，材料导热系数依据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）中附录B常用建筑材料的热物理性能计算参数表，聚苯乙烯泡沫塑料EPS灰板（expanded polystyrene）的导热系数取λ=0.033 W/(m·K)，钢筋混凝土的导热系数取λ=1.74 W/(m·K).

3. 我国严寒地区被动房外墙传热系数确定

3.1. 德国被动房设计标准在严寒地区气候条件下对墙角温度的量化统计分析

我国黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区、新疆北部和西藏自治区隶属严寒地区，对于其他气候区最大的不同点是漫长而寒冷的冬季建筑能耗过多，保证被动房外墙内部及内墙角处不产生发霉现象是研究外墙传热系数的技术难点.

已有研究表明，我国居住建筑大多数室内墙面装饰装修设计中推行的是乳胶漆墙面装饰[30]. 考虑到经济条件和居住者的生活方式，不可能所有居住建筑使用特殊材料装饰墙面. 因此本研究的研究对象拟定为乳胶漆墙面.

德国被动房研究所规定被动房的室内相对湿度保持在50%以下. 德国冬季是温湿多雨，湿度较高，我国严寒地区冬季湿度较低，由于现在生活水平的提高，人们对舒适性的要求越来越高，即使只有采暖的建筑，居住用户为了提高室内空气品质，加湿器的使用越来越多，室内湿度在远高于30%~40%的舒适度水平即40%~60%[31]. 在相对湿度为45%~55%的环境下，细菌的存活能力最差，平均寿命最短[32]. 在室内相对湿度为40%、45%、50%、55%、60%的环境下分析并研究.

基于发霉温度点的计算方法可知，当室内温度为20 °C时，相对湿度为40%、45%、50%、55%、60%的各发霉温度点如表2所示. 表中，rh为相对湿度，θsimold为发霉温度点. 将这几个发霉温度点作为研究基准.

表 2   不同室内相对湿度的发霉温度点

Tab.2  Mouldy temperature points for different indoor relative humidity

rh/% θsimold/°C
40 9.3
45 11.0
50 12.6
55 14.1
60 15.4

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如表3所示为德国被动房设计标准在我国严寒地区，基于我国的气候条件和4种不同内墙表面热阻环境下计算得到的外墙室内墙角的温度变化表. 表中，U为外墙传热系数，θ为室外温度，R1为无环境设施下的外墙内表面热阻，R2为窗帘环境下的外墙内表面热阻，R3为衣柜环境下的外墙内表面热阻，R4为壁柜环境下的外墙内表面热阻. 从表3可以看出，室外温度不同情况下，外墙室内墙脚处温度根据4种内墙表面热阻环境的不同而变化. 具体数据如表3所示.

表 3   外墙传热系数为0.15 W/（m2·K）时不同热阻环境与不同室外温度下的墙角温度

Tab.3  Wall temperature of different thermal resistance environment and outdoor temperature when external wall heat transfer coefficient is 0.15 W/（m2·K）

θ/°C θiw/°C
R1=
0.11 m2·K/W 		R2=
0.25 m2·K/W 		R3=
0.5 m2·K/W 		R4=
1.00 m2·K/W
−36.3 17.90 16.18 13.46 8.44
−36 17.91 16.20 13.50 8.50
−35 17.95 16.27 13.61 8.70
−34 17.99 16.34 13.73 8.91
−33 18.03 16.41 13.85 9.11
−32 18.06 16.48 13.96 9.32
−31 18.10 16.54 14.08 9.52
−30 18.14 16.61 14.19 9.73
−29 18.18 16.68 14.31 9.94
−28 18.21 16.75 14.43 10.14
−27 18.25 16.81 14.54 10.35
−26 18.29 16.88 14.66 10.55
−25 18.32 16.95 14.77 10.76
−24 18.36 17.02 14.89 10.96
−23 18.40 17.09 15.01 11.17
−22 18.44 17.15 15.12 11.37
−21 18.47 17.22 15.24 11.58
−20 18.51 17.29 15.36 11.78
−19 18.55 17.36 15.47 11.99
−18 18.59 17.42 15.59 12.19
−17 18.62 17.49 15.70 12.40
−16 18.66 17.56 15.82 12.61
−15 18.70 17.63 15.94 12.81
−14 18.73 17.70 16.05 13.02
−13 18.77 17.76 16.17 13.22
−12 18.81 17.83 16.28 13.43
−11 18.85 17.90 16.40 13.63
−10 18.88 17.97 16.52 13.84
−9 18.92 18.03 16.63 14.04
−8 18.96 18.10 16.75 14.25
−7 18.99 18.17 16.87 14.45
−6 19.03 18.24 16.98 14.66
−5 19.07 18.31 17.10 14.87
−4 19.11 18.37 17.21 15.07
−3 19.14 18.44 17.33 15.28
−2 19.18 18.51 17.45 15.48
−1 19.22 18.58 17.56 15.69

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如图6所示为基于表3的计算数据绘制的折线图. 可以看出，4种环境曲线有相交的趋势. 其中内墙表面热阻为0.11 m2·K/W的曲线倾斜度最小. 内墙表面热阻为1.00 m2·K/W的曲线倾斜度最大，且位于其他3个内墙表面热阻的下方，说明墙角温度变化最明显，室内墙角温度最低.

图 6

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图 6   4种热阻环境时不同室外温度下的墙角温度变化

Fig.6   Wall temperature changes at different outdoor temperatures under four thermal resistance environments


当室内相对湿度为40%、45%、50%时，内墙表面热阻为0.11、0.25和0.50 m2·K/W时，室内墙角温度不会降到发霉温度点以下. 在内墙表面热阻为1.00 m2·K/W的环境下，当室内相对湿度为40%时，室外温度低于−31 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下；当室内相对湿度为45%时，室外温度低于−23 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下；当室内相对湿度为50%时，室外温度低于−15 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下.

当室内相对湿度为55%、60%时，在内墙表面热阻为0.11和0.25 m2·K/W的环境下，室内墙角温度不会降到发霉温度点以下. 在内墙表面热阻为0.5和1.00 m2·K/W的环境下，会影响室内墙角温度低于发霉温度点以下.

在内墙表面热阻为0.5 m2·K/W的环境下，当室内相对湿度为55%时，室外温度低于−30 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下；当室内相对湿度为60%时，室外温度低于−19 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下. 在内墙表面热阻为1.00 m2·K/W的环境下，当室内相对湿度为55%时，室外温度低于−8 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下；当室内相对湿度为60%时，室外温度低于−2 °C，室内墙角温度会降到发霉温度点以下.

当室内相对湿度为40%、45%、50%，内墙表面热阻为1.00 m2·K/W时，一部分的室内墙角温度会低于发霉温度点. 在室内相对湿度为55%、60%的环境下，当内墙表面热阻为0.5和1.00 m2·K/W时，大部分的室内墙角温度低于发霉温度点. 这是因为衣柜或壁柜都是体积大的物体，与外墙内表面之间存在一定的相对封闭的空隙，这些空隙中的空气流动缓慢，相当于静止的空气层，而且静止的空气层有一定的保温隔热效果，使室内温暖的空气无法抵达衣柜或壁柜后面的墙角或墙表面，促使外墙内表面温度更低，是这2种环境受室外温度影响的主要原因.

综上所述，根据外墙内表面热阻不同，不同冬季室外温度对外墙室内墙角处的温度会产生一定的影响. 如果基于我国严寒地区气候条件建设被动房时继续采用德国被动房外墙传热系数标准值，被动房外墙室内墙角处在衣柜和壁柜两种环境下极易产生发霉现象，导致室内空气质量差等问题，影响人们身体健康.

3.2. 适用于我国严寒地区被动房外墙传热系数确立

针对我国严寒地区的气候条件，外墙室内墙角温度主要受影响的是内墙表面热阻为0.5和1.00 m2·K/W的环境. 从图6可以看出，该环境下室内墙角受到的影响最多，温度最低，需要最佳的外墙热工性能.

针对内墙表面热阻为0.5与1.00 m2·K/W的环境，室内温度定为20 °C，运用Heat2热桥软件，以各相对湿度的发霉温度点为基准，基于我国严寒地区的室外气候条件反向推算外墙传热系数，研究适用于我国严寒地区的被动房外墙传热系数.

表4中，rh为相对湿度. 如图7、表4所示，以内墙表面热阻0.5 m2·K/W为基准进行推算. 可以看出，当室外气候条件为最低温度时，为了满足相对湿度为40%、45%、50%、55%、60%的发霉温度点，外墙传热系数分别为0.15、0.13和0.09 W/（m2·K）才能满足室内墙角温度会高于发霉温度点.

图 7

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图 7   内墙表面热阻为0.5 m2·K/W时不同相对湿度与不同室外温度下的外墙传热系数变化

Fig.7   Variation of heat transfer coefficient of exterior wall under different relative humidity and outdoor temperature with thermal resistance of 0.5 m2·K/W


表 4   内墙表面热阻为0.5 m2·K/W时不同相对湿度与不同室外温度下的外墙传热系数

Tab.4  Heat transfer coefficient of external wall under different relative humidity and outdoor temperature at 0.5 m2·K/W of internal wall thermal resistance

θ/°C U/(W·m−2·K−1)
rh=40% rh=45% rh=50% rh=55% rh=60%
−36.3 0.15 0.15 0.15 0.13 0.09
−36 0.15 0.15 0.15 0.13 0.09
−35 0.15 0.15 0.15 0.13 0.10
−34 0.15 0.15 0.15 0.13 0.10
−33 0.15 0.15 0.15 0.14 0.10
−32 0.15 0.15 0.15 0.14 0.10
−31 0.15 0.15 0.15 0.14 0.11
−30 0.15 0.15 0.15 0.15 0.11
−29 0.15 0.15 0.15 0.15 0.11
−28 0.15 0.15 0.15 0.15 0.11
−27 0.15 0.15 0.15 0.15 0.12
−26 0.15 0.15 0.15 0.15 0.12
−25 0.15 0.15 0.15 0.15 0.12
−24 0.15 0.15 0.15 0.15 0.13
−23 0.15 0.15 0.15 0.15 0.13
−22 0.15 0.15 0.15 0.15 0.13
−21 0.15 0.15 0.15 0.15 0.14
−20 0.15 0.15 0.15 0.15 0.14
−19 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−18 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−17 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−16 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−14 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−13 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−12 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−11 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−9 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−8 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−7 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−6 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−5 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−4 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−3 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−2 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−1 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

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当室内相对湿度为55%时，室外气候条件低于−30 °C；当室内相对湿度为60%时，室外气候条件低于−19 °C，德国被动房外墙传热系数的标准值都需要调整.

如图8、表5所示，以内墙表面热阻1.00 m2·K/W为基准进行推算. 可以看出，在室内湿度变大的情况下，适用于我国严寒地区的被动房外墙传热系数会波动得更加明显. 当室外气候条件为最低温度时，为了满足相对湿度为40%、45%、50%、55%、60%的发霉温度点，外墙传热系数分别为0.13、0.11、0.09、0.06和0.05 W/（m2·K）才能满足室内墙角温度会高于发霉温度点.

图 8

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图 8   内墙表面热阻为1.00 m2·K/W时不同相对湿度与不同室外温度下的外墙传热系数变化

Fig.8   Variation of heat transfer coefficient of exterior wall under different relative humidity and outdoor temperature with thermal resistance of 1.00 m2·K/W


表 5   内墙表面热阻为1.00 m2·K/W时不同相对湿度与不同室外温度下的外墙传热系数

Tab.5  Heat transfer coefficient of external wall under different relative humidity and outdoor temperature at 1.00 m2·K /W of internal wall thermal resistance

θ/°C U/(W·m−2·K−1)
rh=40% rh=45% rh=50% rh=55% rh=60%
−36.3 0.13 0.11 0.09 0.06 0.05
−36 0.13 0.11 0.09 0.06 0.05
−35 0.14 0.11 0.09 0.07 0.05
−34 0.14 0.11 0.09 0.07 0.05
−33 0.14 0.11 0.09 0.07 0.05
−32 0.14 0.12 0.09 0.07 0.05
−31 0.15 0.12 0.10 0.07 0.05
−30 0.15 0.12 0.10 0.07 0.05
−29 0.15 0.12 0.10 0.08 0.05
−28 0.15 0.13 0.10 0.08 0.06
−27 0.15 0.13 0.11 0.08 0.06
−26 0.15 0.13 0.11 0.08 0.06
−25 0.15 0.14 0.11 0.08 0.06
−24 0.15 0.14 0.11 0.09 0.06
−23 0.15 0.15 0.12 0.09 0.07
−22 0.15 0.15 0.12 0.09 0.07
−21 0.15 0.15 0.12 0.09 0.07
−20 0.15 0.15 0.13 0.10 0.07
−19 0.15 0.15 0.13 0.10 0.07
−18 0.15 0.15 0.14 0.10 0.08
−17 0.15 0.15 0.14 0.11 0.08
−16 0.15 0.15 0.14 0.11 0.08
−15 0.15 0.15 0.15 0.11 0.08
−14 0.15 0.15 0.15 0.12 0.09
−13 0.15 0.15 0.15 0.12 0.09
−12 0.15 0.15 0.15 0.13 0.09
−11 0.15 0.15 0.15 0.13 0.10
−10 0.15 0.15 0.15 0.14 0.10
−9 0.15 0.15 0.15 0.14 0.11
−8 0.15 0.15 0.15 0.15 0.11
−7 0.15 0.15 0.15 0.15 0.12
−6 0.15 0.15 0.15 0.15 0.12
−5 0.15 0.15 0.15 0.15 0.13
−4 0.15 0.15 0.15 0.15 0.13
−3 0.15 0.15 0.15 0.15 0.14
−2 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
−1 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

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当室内相对湿度为40%时，室外气候条件低于−31 °C；当室内相对湿度为45%时，室外气候条件低于−23 °C；当室内相对湿度为50%时，室外气候条件低于−15 °C；当室内相对湿度为55%时，室外气候条件低于−8 °C；当室内相对湿度为60%时，我国严寒地区大部分的室外气候条件下，德国被动房外墙传热系数的标准值都需要调整.

若继续采用导热系数为0.033 W/（m·K）的EPS保温板，且防止室内墙角温度在4种内墙表面热阻环境下低于发霉温度点，根据外墙传热系数的不同，所需要的EPS保温板厚度需要调整，如表6所示. 表中，Δx为EPS保温板厚度.

表 6   不同外墙传热系数下的EPS保温板厚度

Tab.6  Thickness of EPS insulation board under different external wall heat transfer coefficient

U/（W·m−2·K−1） Δx/mm
0.13 245
0.11 290
0.09 360
0.06 540
0.05 650

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当室内相对湿度为55%和60%时，为了解决室内墙角部位发霉问题，外墙EPS保温板需要增加的厚度过大，在一定程度上影响了美观，增加了建筑物的负担. 从图7、8的对比分析可以看出，内墙表面热阻为1.00 m2·K/W、室内相对湿度为50%时的传热系数能够满足内墙表面热阻为0.5 m2·K/W环境下的所有室内相对湿度的发霉温度点.

在外墙室内墙角处的温度高于发霉温度的前提下，建议室内相对湿度保持为50%，可以避免使用过厚的保温板，如表7所示.

表 7   适用于严寒地区被动房外墙的最低传热系数标准

Tab.7  Lowest standard of heat transfer coefficient for passive houses in cold regions

θ/°C U/（W·m−2·K−1）
−36.3~−32 0.09
−31~−28 0.10
−27~−24 0.11
−23~−21 0.12
−20~−19 0.13
−18~−16 0.14
−15~−1 0.15

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4. 结　论

（1）几何形热桥造成被动房外墙室内墙角发霉的几率很高，在内墙表面热阻为0.11 m2·K/W的环境下，室内墙角温度受室外温度的影响最小. 外墙室内墙角处不宜放置物品，让室内的热空气充分地达到墙角处，保持墙角的温度高于发霉温度点.

（2）通过研究可知，在不同的湿度条件下，主要受室外温度影响的是内墙表面热阻0.5和1.00 m2·K/W的环境. 内墙表面热阻为1.00 m2·K/W时受的影响更大.

（3）结合多种内表面热阻环境，使外墙室内墙角处的温度保持在发霉温度点以上的前提下，结合人们对现代生活的舒适性要求以及细菌的存活能力最差，平均寿命最短的相对湿度环境和避免使用过厚的保温板，提出内墙表面热阻为1.00 m2·K/W、室内相对湿度为50%的传热系数. 该传热系数可以满足内墙表面热阻为0.5 m2·K/W环境下的室内相对湿度为40%~60%的发霉温度点.

基于本文对严寒地区温度实际模拟分析，本研究提出具体参数，展示了基于发霉温度点和多种内表面热阻，如何运用Heat2热桥软件进行计算分析工作. 本研究最终提出的传热系数最低标准是0.09 W/（m2·K）. 该数值在被动房设计中可以接受的，欧洲已有墙体传热系数为0.08 W/（m2·K）的被动房案例.

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