您使用的浏览器版本已过时,本网站不支持。
点击这里升级你的浏览器

2022年6月27日

上面的护套通风,第2部分:蓝色星球

图10副本

地球在太阳系中只是一个淡蓝色的点。这是一个相当潮湿的世界,70%被水覆盖。我们星球的蓝色是所有这些水反射来自太阳的蓝色波长光的结果。作为这个世界的居民,我们也很潮湿,我们在潮湿的建筑里做事。那么,在到处都是水的情况下,我们如何保持建筑物的干燥呢?

外面的天气

太阳照射在我们潮湿的星球上,产生了各种力量,这些力量结合在一起形成了天气。云是由强大的向上气流携带的水蒸气形成的。从太阳吸收的那部分热量使地球表面的水蒸发,并将其中一些水蒸气从地球上移走。在较冷的高海拔地区,水蒸气凝结形成云。大气中的云就是一个例子,大量的水分可以通过移动的空气运输。我们的屋顶也可以从驱动形成云的气流的类似物理原理中受益。通过在我们的屋顶设计中复制向上气流的强大效果,我们可以诱导空气运动带走水分。

风雨兼收

风和雨在任何给定时间的组合被称为驱雨(斯特劳布,2010)。水被风逆重力流动的作用不应被低估(欧弗顿,2013)。在任何屋顶设计中,无论是连续的长期金属或瓦,都必须考虑到由风驱动的雨水。一个好的包层系统是第一道防线。在这下面,还需要一道二级防线,这道防线应该是耐候屏障(WRB)。

人们普遍认为重力使水向下。除非它没有。

图3:屋面系统应始终包含用于挠度和排水的第一道防线,以及确保抵御风暴的第二道防线。第二道防线应以气象屏障(WRB)的形式。低于10°时,WRB应由刚性护套支撑,以降低积水风险。

外星人对夜空辐射的影响

夜空辐射是外太空的一种超级强大的效应,它可以吸走我们屋顶覆层的能量。它会导致屋顶表面过冷,比环境空气温度低10°C(图5和图7)。云对地球表面有绝缘作用,就像一个大毯子。当天空晴朗时,这层绝缘层就会被有效地移除,长波辐射就会相对自由地将能量发射回太空。由此产生的净能量损失在面向天空的表面最为明显,如屋顶。这种现象在夜间表现得最为明显,此时流入太空的能量不受任何太阳辐射的平衡。

图4:在冬季,外部覆层系统和阁楼空隙将比绝缘系统内部的内衬更冷。

图5:夜空辐射可以使外部包层系统的温度比室外空气温度低10°C,进一步冷却阁楼空间。

图6:在冬季,外部覆层系统会比隔热技术屋顶系统的内衬更冷。

图7:夜空辐射可以使外部包层系统的温度比室外空气温度低10°C,进一步冷却隔热技术屋顶系统的外层。

图8:由于夜空冷却,清晨的凝结。卧龙岗,澳大利亚制冷和供暖研究所(AIRAH)高性能住宅项目,图片由Stephen Cuthbert, AIRAH提供。

图9:当环境空气温度高于0°C时,夜空辐射可以将屋顶表面温度降低到零度以下,导致霜冻。图片由Matthew Cutler-Welsh提供,奥克兰。

里面是水蒸气

人体是湿润的,由50 - 70%的水组成,这取决于生理、性别和年龄(Roland, 2019)。呼吸和排汗将水蒸气从我们的身体释放到我们的住所。加上其他日常活动,如做饭、清洁和洗澡,我们在建筑物的内部环境中投入了大量的水。

在错误的地点或错误的时间把水放在我们的建筑物内部会造成问题,因为我们不是这个蓝色星球上唯一进化到会利用水的居民。

水使东西生长。从植物到人类,以及介于两者之间的一切,包括真菌和霉菌。地球上的生命(以及我们家里的生命)依赖水分来茁壮成长。如果你把水分拿走,像霉菌这样的生物就不能生长。但在潮湿的环境下,我们的建筑往往会为霉菌提供良好的生长条件(图10)。

我们用来保护自己的屋顶需要设计成能够承受大自然的外力(风、冰雹、雪、雨和湿度),同时也不能吸收内部的水蒸气。

材料的选择很重要。一些人造板材对霉菌极为敏感,特别是那些含有纤维素的板材,霉菌喜欢吃纤维素。如果湿度和食物来源有限,那么霉菌就不太可能茁壮成长,但我们的建筑物往往有丰富的纤维素食物。木材和石膏板的纸背都含有纤维素。

如果我们不能去除食物,那么更重要的是避免和去除水分。

干燥组件是健康的组件,保持内部衬里材料温暖有助于保持干燥。

图10:如果在错误的时间、错误的地点进水,问题就会开始出现。膜底部过度凝结导致的潮湿时间延长(A)会导致旧技术膜变质和发霉(B)。

中间的水

我们的建筑外面的水相对容易防范。至于屋顶,偏斜是主要的防线。这取决于包层材料的形状和完整性。在包层之下,我们实施排水作为二级防线,防止任何液态水通过包层,特别是在严重的大雨条件下。

从理论上讲,建筑物内部的水蒸气很容易通过抽风机和良好的通风来管理。不幸的是,大多数澳大利亚和新西兰的家庭都不能很好地控制室内湿度。这就造成了不健康的室内生活条件,并增加了建筑物屋顶结构的潜在水分负荷。如果这些湿气被允许到达屋顶覆层下的寒冷表面,它很可能凝结成液态水,在屋顶组件内部造成迷你阵雨(图11 - 16)。

建筑内部衬里和外部覆层之间的水分可能构成最大的风险。这种间隙水分是一个问题,因为:

  • 长期的潮湿会对结构造成很大的破坏
  • 湿气促进霉菌生长,可影响建筑物居住者的健康
  • 在有衬里和包层的房子里,空隙的水分是看不见的

压力,气孔和穿孔

空气和水蒸气可以通过许多机制穿过墙壁、屋顶和地板来增加间隙水分。蒸汽压就是这样一种机制。在任何边界一侧的水蒸气的压力是相对于悬浮在空气中的水蒸气分子的密度。蒸汽压的不同会导致水分向一个方向或另一个方向移动。我们把这种压差称为梯度。

我们非常熟悉重力将物体沿物理梯度向下推。想象一下跷跷板上的球。当跷跷板倾斜时,球就会滚下山去。如果跷跷板再次倾斜,在相反的方向上创建一个梯度,球将滚回它原来的位置。

当涉及到热和风时,我们也非常熟悉梯度的概念。热能总是从热源传到冷源。风是空气从一个高气压的地方移动到一个低气压的地方。

蒸汽压力也遵循同样的规律。水蒸气形式的水分总是从高蒸汽压的地方移动到低蒸汽压的地方。因为暖空气比冷空气能容纳更多的水分,我们建筑围护结构较暖的一侧通常比较冷的一侧有更高的蒸汽压。

因此,在冬季和夜间,水汽压力的梯度是这样的,即来自建筑物内部的水汽会穿过围护层,到达外部水汽压力较低的地方,而在潮湿的夏季则相反(图17)。

图17:水蒸气会通过物质和空气扩散到最冷的地方。在冬季,这些可能是最外层的物质层(A),而在潮湿的夏季条件下,这些可能是最内层的物质层(B)。

更大的梯度

在过去的几十年里,我们建筑结构中的水分已经成为一个更大的问题,因为我们增加了压力梯度。我们有效地把跷跷板抬高了。

当我们的建筑充满了缝隙和洞时,空气、湿气和热量就相对自由地进出。这很不舒服,所以我们增加了隔热层,增加了温度梯度。

建筑材料和实践也创造了更多的密封信封。如果这样做是有意的,并考虑到蒸汽控制(稍后讨论),这是一件好事,但如果空气密封是在错误的位置进行的,并且没有让蒸汽从信封中移动出去,我们最终会遇到问题(图18)。

图18:过去的情况(A)和现在的情况(B)。由于保温,建筑系统动力学正在发生变化。由于能源效率低而保持温暖的表面,如屋顶材料的正下方(A)现在更冷(B)。

运动中的热量和水分

室外的天气和室内的人类活动会传递热量、水分和空气,所有这些都可以通过我们的建筑结构流动。

  • 蒸汽扩散透过所有透水建筑材料,例如石膏板、屋面膜(图19)
  • 液体是运输通过所有多孔建筑材料,例如木材
  • 空气经过对流通过和在腔内,包括屋顶覆层和基材之间的通风腔
  • 蒸汽旅行在空气中,通过无意的缝隙和裂缝,特别是通过天花板的穿透
  • 水分可以存储在大多数屋顶建筑材料如吸水膜、木材和保温材料
  • 辐射物质与天空之间
  • 进行在材料和空气层之间

在分析屋顶系统的干燥潜力时,需要考虑所有这些形式的能量和质量传递。我们可以使用计算湿热工具,如WUFI,来观察组成屋顶系统的所有材料中热量和湿气运动的组合。

当我们理解这些流动并进行适当的设计时,我们就可以创建一个屋顶系统,它可以对已知的物理力做出可预测的反应。

图19:蒸汽会从高蒸汽压区域扩散到低蒸汽压区域。当建筑内部相对温暖潮湿时,蒸汽很容易在屋顶组件内向上扩散。

水蒸汽高速公路

与直觉相反,向空气中加入水蒸气实际上会使空气更轻。潮湿的空气密度较小,因此比干燥的空气更有浮力,因为水蒸气分子比占主导地位的氮气和氧分子轻。水蒸气分子的小尺寸也使它们能够在水甚至空气无法移动的地方移动(澳大利亚建筑规范委员会,2019年)。

当我们在建造屋顶时,缝隙中的水分会在被堵塞之前只流过建筑围护结构的一部分。大洞(如未密封的缝隙)和小洞(如非渗透性材料中的故意穿孔)都是含湿空气的通道的例子。

温暖潮湿的空气想要上升,它会在天花板衬里上发现缝隙和裂缝。

“天花板包含缝隙,例如在阁楼舱口和服务穿透孔周围,这些缝隙为空气从占用空间流向阁楼(阁楼/屋顶空间)提供了通道。”还有更复杂的气流路线;例如,通过壁腔和衬里系统。热量和水分是由住户在天花板以下被占用空间内的正常活动产生的,从而提高了室外环境条件下的温度和蒸汽压。一些热量和水分离开了房子的起居区域,通过传导、扩散和空气运动的结合,通过天花板进入阁楼[阁楼/屋顶空间]。这种移动大大增加了房屋的热量损失,并导致阁楼[阁楼/屋顶空间]内冷凝的风险。在可行的情况下尽量减少通过天花板的气流,既可以节省能源,又可以降低冷凝的风险。(Sanders & Rideout, 2006)

灯、通风口、扬声器和其他设施的天花板穿透基本上是不可避免的。在这些服务上方,适当设计和专用的智能空气屏障(IAB)可以通过控制蒸汽流动来取得出色的效果。

图20:寒冷的表面和潮湿的气流导致冷凝和真菌生长。

图21:INTELLO或INTELLO PLUS(绿色虚线)智能空气屏障系统在天花板线上防止不必要的额外水汽进入隔热建筑系统的屋顶空间,从而阻塞水汽高速公路。

通风-对抗辐射

由于夜空辐射,这种力量很强大。尽管按照国际标准,澳大利亚和新西兰的许多气候地区并不“冷”,但我们需要考虑的事实是,实际的屋顶覆层温度可能比报告的最低空气温度至少低10°C。这完全改变了我们考虑屋顶的方式。我们无法阻止夜空辐射冷却屋顶表面。我们所能做的就是设计来控制它的影响。

“通风层和瓦片下面的副屋顶的表面温度是坡屋顶湿热性能的最重要因素之一。瓦片与次顶板之间的空气层以及与室外空气的空气交换影响传热,从而影响屋面结构内部的水分水平。(Philipp Kölsch, Fraunhofer IBP, 2019)

在冬天和晚上,屋顶组件中最冷的表面将是覆层。然而,它也可以作为一个辐射屏蔽,保护下面的屋顶层免受夜空辐射的强大影响而过度冷却。

通过将膜与包层分离,在第一道和第二道防线之间引入了环境空气。虽然我们可能仍然称这种夜间空气为“冷”,但它并不像被夜空辐射冷却的外层那么冷。因此,环境空气会对屋顶覆层和衬底产生轻微但显著的变暖效应(图22)。

“在夜间,长波辐射损失主要影响包层,导致包层明显过冷,低于室外空气温度,而副顶板表面温度仍然接近室外空气温度。(Kölsch, 2019)

图22:屋顶的设计和建造必须能够承受温度和压力的影响。上方护套通风(ASV)利用风效应和水蒸气的浮力,如云的向上运动,从屋顶组件中去除水蒸气。它还有助于在寒冷的冬夜温暖副屋顶。

水蒸气和冷表面

水蒸气很容易凝结在冷的表面上,或在冷材料的孔隙内,导致材料含水量增加。如果这些冷表面和材料位于屋顶系统的外(冷)侧,就有霉菌生长和木材腐烂的风险,因为高含水量水平可能会持续下去。为了避免这种情况,冷凝水的排水路径是强制性的,而不是可选的。

图30:铝箔冷凝表面的水分相关问题。图片提供:杜斯伯里,法律,和亨德森,2016年。

建筑物理颠倒

物理规则是不可能被打破的,但作用力可以逆转。季节性地,这会使水蒸气压力向另一个方向驱动,这意味着靠近空调环境的石膏板变成了冷表面。在潮湿和热带气候中,这是一个特别的问题,因为空气运输的水蒸气和扩散过程可能会导致水蒸气吸引到覆盖在纤维素纸表面的内部冷石膏板层。由此产生的潮湿、温暖的环境和丰富的食物来源非常适合霉菌生长(图31 - 33)。

阁楼空间——控制不可控

在桁架屋顶系统中有一个很大的空隙。在大多数情况下,在保温层外面的任何大空隙处进行通风是谨慎的。这是因为大空隙是不可预测的。水蒸气将很容易被重新分配到集合中最冷的地方。

巨大的桁架仍然在澳大利亚和新西兰占主导地位,而且短期内不会消失。我们所能做的最好的就是通过通风来去除大空隙内尽可能多的水分。屋顶通风策略需要仔细考虑:

“因为屋顶通风的主要目的是除去水分,所以屋顶的设计和位置显然应该允许良好的气流。出口通风口,如脊状通风口,必须只与进口通风口安装在一起。进风口的尺寸应略大于出风口,以确保所有补充空气都来自外部,而不是从建筑物内部吸入。(branz, 2018)

屋顶通风的关键是有足够的开放面积,让空气进入阁楼空间。国际上有不同的门槛。作为指导,1:300的开孔面积比意味着每300平方米的隔热天花板需要1平方米的通风口开口面积。

通风的大小通常被描述为通风口的净自由开口面积与隔热天花板面积之间的比率。虽然可以找到从1:150到1:600的比率,但1:300似乎是一个经常指定的分数。(branz, 2018)

施工过程。临时保护

当用ASV建造屋顶时,板条和包层可以在不同的时间安装。因此,有一个危险时期,天气阻力屏障(WRB)可能会被雨水淋到。在这种情况下,有必要在所有穿透处都有良好的密封(图35)。

首先,建筑结构内部有水分,尤其是在崭新的建筑中。桁架和椽子应该是干燥的,但它从来没有完全干燥(根据定义,20%的水分含量意味着至少20%的质量是水),在建筑物正确关闭之前,木材经常被允许饱和(图36)。

混凝土等其他材料也是新建筑的大量水分来源。如果天花板没有完全密封,那么这些湿气源将有助于屋顶的湿气负荷。即使在最好的情况下,框架和材料在施工过程中保持“干燥”,水分也会一直试图进入。因此,我们需要设计能够干燥的屋顶。

图35。在未使用TESCON NAIDECK钉密封胶带的情况下,在包层前通过固定渗透发生漏水

图36:建筑工地上的框架木材通常在建筑物适当封闭和免受天气影响之前就被饱和了。

护套以上通风(ASV)

在增加干燥潜力的同时,通过保护外部天气,通风使我们能够对抗霉菌,木材腐烂和腐蚀。如果设计和施工得当,ASV将有助于保持建筑的耐用和健康。

正确实施ASV可以通过以下方式提高耐久性和舒适性:

  • 让结构在施工过程中保持干燥,
  • 防止在运行过程中出现极端天气时漏水,
  • 防止内部水蒸气在结构正常运行时积聚
  • 减少来自太阳的多余热量

用水生活

没有水,人就会死。没有水分,霉菌和木材破坏真菌就无法茁壮成长。从理论上讲,防止水进入建筑围护结构并增加干燥潜力是一个简单的公式。在实践中,干燥耐用的屋顶的秘密是在特定的位置为特定的目的进行特定的通风。控制密闭通风的最佳位置是包层和薄膜之间。

建筑不是潜艇。在设计和建造建筑时,我们应该了解水、蒸汽、空气和热量是如何进入、围绕和穿过建筑围护结构的。当我们理解并应用物理定律时,我们就可以成功地建造安全、健康的地方,舒适地享受我们的蓝色星球。

ASV利用类似的物理原理,在地球表面产生上升的云,从而促进屋顶的干燥。屋顶覆层下的一层潮湿空气被早晨的阳光温暖。这些有浮力的空气沿空腔向上移动到山脊,并在屋檐处被较冷的空气所取代。如果任何液态水确实积聚在屋顶覆层上,或泄漏到屋顶覆层的底部,ASV通过屋顶膜顶部的畅通通道进行排水。同时,水汽被流动的空气带出系统。这样,ASV就不太依赖于屋顶衬垫对水分的每日吸收和解吸。正如ASV -第1部分:空腔的兴起所讨论的,这种持续的湿润和干燥实际上只是处理症状,并可能导致衬底的快速退化。

图37:控制屋顶通风的最佳位置是覆层和薄膜之间。在保温层(阁楼)外面的大空隙也是最好的通风。然而,对于大教堂的屋顶,不应该将通风引入隔热椽舱,理想情况下,椽舱完全充满隔热材料。

水和热

这篇文章涵盖了水的影响从外部,内部和我们的建筑。我们是生活在潮湿星球上的潮湿生物,但我们希望我们的建筑尽可能干燥,以便耐用,并提供健康的生活、工作和娱乐场所。ASV是一种建造屋顶以保持结构干燥的方法,使用经过验证的建筑物理。

本系列的下一期将探讨ASV在夏季降温方面的好处,以及在正确的地方采用正确的通风方式如何使我们的建筑物更舒适和节能。

查看有关专业气候的更多信息,包括联系方式。
评论来源:Disqus

Antoni Rajwer的文章

看到所有

每周免费获取重要新闻摘要

新的和更新的建筑产品,设计解决方案,灵感,技术建议和更多当你华体会app下载最新版本注册EBOSS。