《环境条件分类 自然环境条件 第10部分：凝露和霜》

1本文件给出了自然环境条件出现凝露和霜的特征信息，包括凝露发生条件、凝露和霜的分布特征与分级、影响因素以及危害和防治方法。本文件适用于自然环境条件下可能受凝露和霜影响的产品。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用GB/T10593.4-2025电工电子产品环境参数测量方法第4部分：凝露3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1当物体表面温度低于周围空气的露点温度时，水蒸气在物体表面上析出的现象，即水由气态转变为凝聚的液态。[来源：GB/T10593.4-2025,3.1]3.2霜frost当温度低于0℃时，物体表面温度低于周围空气的露点（霜点）温度时，水蒸气在物体表面上析出的现象，即水由气态转变为凝华的固态。3.3润湿wetting当液体与固体接触时，原有的气液界面或气固界面被固液界面所取代的现象。3.4接触角contactangle气、液、固三相交界处的气-液界面和固-液界面切线之间的夹角。3.5相对湿度relativehumidity空气中实际蒸汽压与当时气温下的饱和蒸汽压之比。[来源：GB/T11804—2005，2.2.24，有修改]23.6单位容积空气中所含的水汽质量。注：单位为克每平方米（g/m2）。3.7一定体积的空气在恒压恒湿条件下冷却以达到饱和状态的温度，进一步冷却则会导致冷凝。注：单位为摄氏度(℃)。[来源：GB/T11804—2005，2.2.22，有修改]3.8某些固体物质从空气中吸收或吸附水分，使表面逐渐变得潮湿、润滑，即物体表面出现液态水的现象，物质从固态变为该物质溶液的现象。[来源：GB/T10593.4-2025，3.2]3.9毛细凝聚capillarycondensation在毛细管结构内，当存在弯曲液面时，蒸汽更易凝结的现象。3.10霜点温度frostpointtemperature当露点温度低于0℃时，露点温度也称为霜点温度。注：单位为摄氏度(℃)。在自然环境中，凝露最常见的成因是低温冷凝，其与空气露点温度和物体表面温度密切相关。通常在凝露发生后，物体表面产生润湿，润湿主要取决于流体和固体之间的黏附力和各自的内聚力。其中，接触角是表征固体材料表面润湿性能的最重要参数。物体的接触角可通过仪器观测，主要受固体-气体、固体-液体和液体-气体三者的界面张力影响，与温度、固体表面粗糙度等密切相关。润湿通常分为浸湿和铺展，通常在接触角θ<90°时发生浸湿；接触角θ=0°时发生铺展。在海洋或盐湖附近，沉积的可溶性盐类可通过潮解作用，使表面在环境温度高于露点温度时仍发生凝露，其起始相对湿度取决于盐的化学组成与结晶特性。此外，当固体表面存在微纳尺度孔隙或裂纹时，毛细凝聚效应可使水蒸气在低于饱和蒸汽压（即高于露点温度）的条件下凝结。如凝露发生在空气中，将形成雾。当露点温度低于0℃时，水蒸气将凝华成霜，通常也会在云层中发生，形成降雪。当霜融化后温度再次降低则会在物体表面形成冰。霜和冰在物体表面的附着力和物体表面接触角相关。注：氢气燃烧、甲烷燃烧等化学反应，以及雾、降雨等自然现象在物体表面产生的润湿和水珠不属于本文件规定的凝露范畴。35凝露发生条件由环境条件发生变化引起的水的相变过程，比如当物体表面温度低于周围空气的露点温度时，水蒸气遇冷雾化或在物体表面凝聚为液相，即发生低温冷凝。冷凝的发生条件主要取决于环境空气温湿度以及物体表面温度。不同温度空气的水蒸气承载上限不同，空气中的水蒸气含量，即绝对湿度决定图1为水的相图，图中三相点TP为水的固、液、气三相交界点，三相点与临界点CP之间的线为水的饱和线，即露点线，高于该线则凝露发生，低于该线则凝露消散。图1水的压强–温度（Pv–T）相图露点温度的计算根据Magnus饱和蒸汽压公式反推，计算如下：td——露点温度，单位为摄氏度(℃);t——当前环境温度，单位为摄氏度(℃);φφ——环境相对湿度，%RH。Magnus饱和蒸汽压公式其误差与世界气象组织（WMO）推荐的Goff-Gratch公式相比，在0℃~50℃小于2%，在其他温度范围内小于5%。Goff-Gratch公式和其他常用饱和蒸汽压公式见附录A。通常可根据图2的温度-绝对湿度-相对湿度关系图，对露点温度进行判断。4图2空气温度-相对湿度-绝对湿度关系图图2中示例了绝对湿度为20g/m3，相对湿度为40%，温度为50℃环境下的露点温度查询方法。附录B给出了露点温度的查询表。受盐类潮解、表面粗糙度和水接触角等影响，实际露点温度可能发生改变。具体测试方法依据6凝露发生和生长过程6.1概述凝露的形成过程受热传递、流体运动和分子扩散三个因素的影响。液滴的生长和演化主要包括：成核、生长、聚并与二次成核，以及后期受重力影响，滑落或掉落。图3给出了四个过程的典型特征5图3凝露液滴生长和演化过程（成核、生长、聚并与二次成核、滑落）6.2成核凝露成核分为均相成核和非均相成核，自然环境凝露的成核主要为非均相成核。均相成核时，凝露发生条件：表面温度T≤露点温度Td，水汽达饱和蒸汽压。其成核率遵循阿伦尼乌斯型指数关系，对过饱和度高度敏感。其临界成核半径极小，实际需显著降温才能发生。非均相成核凝结的初始特征：并非在基底表面均匀发生，而是优先在少数有利特定位点成核。其受接触角θ影响较大，θ越小则越亲水，成核越容易，θ=0°时可在露点直接凝结，液滴优先在基底缺陷处形核。6.3生长独立生长阶段，液滴在表面覆盖率较低的情况下生长，几乎不发生或极少发生聚并，液滴球冠的接触半径随着时间按幂指数规律变化。液滴的生长指数早期由液滴间距与浓度边界层厚度的相对大小决定，若在此阶段液滴彼此间距较远,则各液滴以自身为中心呈半球形轮廓独立生长；若液滴排布更密集，则各自的浓度场发生重叠，形成垂直于基底的平均浓度场，此时生长指数更小。6.4聚并液滴聚并是凝露生长的关键过程，包括自由液滴和固着液滴。自由液滴聚并是从液桥形核开始的，当两个液滴间距略小于分子势场作用范围时，分子间吸引力为形核驱动力，液桥生长阻力与之平衡。由液桥负曲率与液滴本体曲率的差异产生拉普拉斯毛细压力，推动液体向中心流动，成为液桥扩张和聚并的核心动力。自由液滴聚并过程几何形貌如图4所示，其中，液桥半宽h=L/2，L为液桥长度，r为成核半径。图4自由液滴聚并过程几何形貌俯视图6固着液滴聚并除了液桥形成与演化外，还存在固着基底上受三相接触线行为共同调控的复杂流体动力学。核心受润湿特性（接触角）、基底约束（接触线钉扎/移动）及流体物性（粘性、界面张力、密度主导。根据接触角的不同，移动接触线的一般问题可分为四类：a）完全润湿，接触角θ=0°,无接触线钉扎，液滴铺展主导聚并；b）部分润湿，接触角θ<90°,聚并发生在接触线处，接触线运动与耗散为核心控制因素；c）部分润湿，接触角90°≤θ<180°,聚并发生在接触线上方，存在接触线钉扎；d）完全不润湿，接触角θ=180°,无接触线约束，近似自由液滴聚并。固着液滴聚并过程几何形貌如图5所示，液桥尺寸演化满足幂指数关系，由接触角与流体粘度共同决定。指数取值取决于液滴平均间距与水浓度边界层厚度的相对大小，接触角θ<90°的指数要略大于接触角90°≤θ<180°时的指数。图5固着液滴聚并过程几何形貌6.5掉落/滑落自由液滴由重力主导，当聚并液滴重量足以克服空气浮力和阻力时掉落。液滴形状由半球逐渐趋于扁平，源于静水压与毛细压相互作用。形变特征尺度为毛细长度计算方法如下：lc——毛细长度（毛细作用与静水压作用相互平衡的特征高度），单位为米（m）；σ——气液界面表面张力，单位为牛每米（N/m）；ρw——液体密度，单位为千克每立方米（kg/m3g——重力加速度，9.8N/kg。而固着液滴重力以两种方式影响滑动，取决于基底水平或倾斜，水平基底随着液滴聚并，如图6所示，液滴1和液滴2聚并成液滴3和液滴4。倾斜基底与水平成α倾角，当液滴重量大于毛细钉扎力时，液滴滑动。光滑表面凝露液滴滑落或掉落的临界半径计算方法如下：R0——滑动或滑落临界半径，单位为米（m）；7lc——毛细长度（毛细作用与静水压作用相互平衡的特征高度），单位为米（m）；G(θc)——关联液滴球冠半径与体积V的形状因子；k∗——一个取决于液滴精确形状的数值常数；α——光滑表面与水平面间夹角。图6液滴冷凝聚并过程形态图7产品凝露和霜的影响因素7.1产品设计与制造7.1.1产品的密封产品外壳或封装材料的密封性能不佳时，产品内部空气与外部空气会因压力差、风压差等因素发生自然交换的过程。物质交换过程中伴随热量传递，外部湿热空气进入产品内部，遇到内部低温表面（如金属壳体、散热器等），且该表面温度低于湿热空气的露点温度，则立即发生凝露或结霜。7.1.2产品的散热产品的散热设计直接影响内部温度场的分布和变化速率。传热效率的差异导致不同部件或位置出现温度梯度，散热较快的部位（如散热器、外壳）温度下降迅速，成为优先凝露区域。同时，通风散8热行为会引起内部压力波动。根据道尔顿分压定律，当压力升高时，空气中水蒸气的分压随之升高，对应的露点温度也升高，更易发生凝露现象。7.1.3材料和结构特征高热导率的材料（如铜、铝等金属）能更快地快速响应环境温度变化。例如，夜间环境降温时，金属外壳迅速冷却，其表面温度可能远低于空气露点，从而引发凝露。相反，低热导率的材料（如塑料、木材）温度变化滞后，表面温度更接近环境气温，反而不易凝露。常见材料的导热系数见附录D，凝露会优先在两种不同导热材料（尤其是高导热嵌入低导热）的连接界面处出现。产品的亲水性或疏水性表面状态主要影响凝露的过程。粗糙的表面具有更多的微小凹陷或凸起结构，为凝露的生成提供有利条件，有利于水蒸气在低于露点温度时更快地凝聚成液态水珠。透明或半透明材料（如玻璃、聚碳酸酯等）允许太阳辐射透过，直接加热内部材料或空间。白天透光表面升温，夜晚或阴暗环境下热量散失较快，导致昼夜温差加大。当周围环境湿度较高且温差达到一定程度时，容易在其背面或内部低温侧形成凝露。7.2工作状态产品工作状态引起周围空气变化从而影响凝露发生，主要包括设备工作时的温度变化、气流变化、压力变化、物理或化学反应等。产品工作时发热，内部温度升高，空气容纳水蒸气的能力增强。停机后，内部温度迅速下降，但白天积累的高湿空气未能及时排出，导致相对湿度急剧升高，在温度最低的外壳内壁或散热器表面形成凝露。光伏逆变器、户外机柜等间歇性工作设备普遍存在此类问题。设备运行时风扇驱动空气流动，可能将湿热空气带到低温区域，或通过通风降低局部湿度。气流组织不当则可能形成涡流区，造成局部湿空气滞留。密闭设备内部因温度变化引起压力波动。压力升高时露点升高，原本不凝露的条件可能转为凝露；压力降低时则相反。此外，某些设备工作过程中产生或消耗水蒸气（如燃料电池），直接改变内部绝对湿度。7.3环境作用自然环境作用主要包括盐沉积、降雨、地面辐射、温度骤变的环境等。盐类（如海盐、工业污染物）沉积在物体表面后具有吸湿性，其潮解点相对湿度低于100%。在环境相对湿度超过潮解点时，盐类吸收水分形成液膜，即使表面温度尚未低于空气露点，引发凝露。降雨期间和降雨后，雨水蒸发冷却使地表和附近环境温度降低，同时空气相对湿度升高至接近饱和，增加了凝露发生概率。同时，雨后空气相对湿度升高，大大增加了凝露发生的概率。夜晚地面通过长波辐射强烈散热，温度迅速下降，使近地面空气冷却至露点以下，形成凝露或霜。这一过程在昼夜温差大的地区尤为显著。此外，中国南方地区的“回南天”是典型的凝露高发场景。每年春季，亚热带季风气候下从南海吹来的暖湿气流与从西伯利亚南下的冷空气相遇，在中国南方形成准静止锋，仍处于低温状态的地表、墙壁和金属表面易凝露。98分布特征与分级8.1位置和时间特征按环境温度低于露点温度的小时数对我国地区凝露风险等级分类，分级方法如表1所示。沿海地区因物体表面有沉积盐，较内陆地区更易发生凝露现象，划分等级时需要提高等级。表1凝露风险等级划分等级地区及描述几乎无风险，极端干燥区域，如塔里木盆地、柴达木盆地、吐鲁番盆地、阿拉善盟、河套平原等低风险，昼夜温差大，如华北平原北部、陕西关中、内蒙古东部、东北平原西部和北部等Ⅲ级中等风险，湿热时间持续断，集中在春秋雨季，夜间至清晨易出现凝露，如青藏高原腹地、华北中部、陕西中部、东北平原东部、呼伦贝尔等Ⅳ级高风险，梅雨季节、“回南天”等凝露集中爆发，如华南、长江中下游、云贵高原、四川盆地中部、西藏北部、新疆北部等极高风险，山地区域、相对湿度常年在80%以上，地形闭塞、风速小，如青藏高原东部、云南南部、海南岛中部、四川盆地和华南部分地区等按照温度和露点温度绘制我国易于发生凝露和霜的地区如图7所示。图7易发生凝露和霜的地区分布地图对于产品而言，凝露或霜通常出现在温度较低的物体表面，这些表面可能是室内墙壁、窗户玻璃、户外植物叶片、金属柜体内壁、空调出风口周围、热泵系统蒸发器表面、冷热冲击试验产品表面等。凝露的持续时间取决于空气干燥速度和表面温度回升至露点以上的速度。通风良好、热容小的表面凝露蒸发快，持续时间短。8.2形态和数量特征凝露分布的形态和数量特征主要有：a）凝结的水珠大小和数量，受表面粗糙度和润湿性影响，通常表现从微米级细小雾滴到毫米级可见液滴的不同形态。b）凝露会沿低温表面均匀分布，或在有盐类沉积、缺陷部位形成局部密集区域。通常接触角θ<90°时，产品表面容易被水浸润，水蒸气凝结后形成连续水膜，加快凝露聚集与滴落过程。水接触角θ≥90°时，疏水表面在同等条件下不易形成连续的水膜，当表面有一定倾斜角度时，水滴可能迅速滚落。8.3凝露水珠的分级通常可用凝露水珠的直径大小变化描述凝露的形成过程，同时可对凝露等级进行划分，见表2。实际评估时建议结合水珠直径与表面覆盖率综合判断。表2水珠直径与凝露等级划分等级最大水珠直径dmm现象描述Id≤0.05微观雾滴，肉眼难以分辨，表面呈雾状朦胧Ⅱ0.05＜d≤0.2细小露珠，肉眼可见，尚未形成流动趋势Ⅲ明显露珠，部分可因重力发生滚动或滴落Ⅳ大颗露珠，或连续水膜，明显流淌Ⅴ积水成流，或大面积连续水膜覆盖9凝露和霜的危害凝露和霜对于产品危害极大，主要包括： 绝缘性降低：凝露会导致电气设备的绝缘材料受潮，湿气会侵入绝缘材料的微小孔隙中，增大导电性，使绝缘电阻下降，增加短路风险。 爬电和闪络：在高电压环境下，绝缘表面形成的水膜改变电场分布，降低闪络电压，引发局部放电、爬电或闪络，可能导致严重电力事故。 设备腐蚀：长期的凝露环境会加速金属部件的腐蚀过程，如开关柜内部的接触部件、连接器、接线端子等。腐蚀会增大接触电阻，导致设备发热，影响设备的正常运行和寿命。 材料老化：凝露引起的材料含湿量变化导致高分子材料水解、溶胀，出现变形、开裂、机械性能下降等问题。 霉菌生长：表面持续潮湿为霉菌提供生长条件，影响产品外观和卫生性能，部分霉菌代谢物还具有腐蚀性。 光学性能：光学表面（镜头、显示屏、传感器窗口）凝露或结霜后透光率下降，成像模糊，测量精度降低。 电池生产：锂离子电池生产环境中，凝露导致电解液水分超标，引发电解液变质、容量衰减、内阻增大、电池漏液等。 制冷系统：蒸发器表面结霜增加热阻，降低换热效率，导致冰箱、空调、热泵等设备性能下降，能耗增加。在机械构件处形成，容易导致机械卡涩、膨胀应力等，如输电线路舞动、风力发电机叶片停机等。 凝露还可与其他因素结合或产生次生灾害，如与灰尘混合形成污垢层，降低绝缘性能；凝露滴入转轴等运动部件将产生磨损腐蚀。当物体表面的凝露或霜融化后温度再降低形成冰，会导致覆冰灾害。10凝露和霜的防治方法凝露和霜的防治方法如下：a）对于低温冷凝导致的凝露和霜：1）温差控制：通过保持内部温度稳定，避免局部过冷；或采取适当的通风作用减少温差。2）湿度干预：可采用除湿产品或设备降低空间相对湿度；或增大通风效果，使用新风系统将干燥空气与内部交换，达到内部降湿效果。3）隔绝防护：良好的密封状态阻止湿气进入。4）界面管理：根据实际使用场景选用疏水性表面，可使凝露快速滴落；或选用亲水性表面，形成连续水膜沿壁面流下。b）对于盐类潮解导致的凝露：可通过除盐方式进行防治，如采用盐雾过滤系统、新风系统与设备内部交换空气，降低盐类浓度，从而达到防止凝露的效果。常用的防凝露方法和对比见表3。表3常见的防凝露方法和适用场景防凝露方法防凝露原理适用于场景除湿机冷凝除湿机通过冷却空气，使水蒸气凝结成液态水适用于户内大多数场景转轮除湿机通过物理吸附和脱附，将再生的干燥空气排除适用于低温环境，除湿量较大的新风入口半导体除湿机利用Peltier效应除湿适用于电控柜、小型机柜等狭小空间电化学除湿机利用质子交换膜运送水分子适用于静音、低温、无振动等小空间加热除湿通过提高温度，降低相对湿度适用于柜内等较小空间，对温度要求不高的场景干燥剂物理或化学方法吸收水分适用于柜内较小空间，需定期更换调湿片利用材料对水分的吸收和释放适用于柜内等较小空间，免维护场景表3常见的防凝露方法和适用场景（续）防凝露方法防凝露原理适用于场景涂层亲水涂层利用涂层亲水特性，避免表面露珠形成适用于需防止水珠滴落损伤下方部件的场景疏水涂层利用涂层疏水性，加速凝露形成适用于需保持表面干燥清洁的场景结构设计通风引入干燥空气置换内部湿空气适用于允许与外界空气交换场景，需配合过滤引流引导凝露定向流出适用于柜体、管道等固定流向的场景密封阻止外部湿空气进入适用于长期稳定工况，内部需保持干燥光学元件专用防凝露方法：光学元件对表面状态要求极高，常规方法可能不适用，可采用以下专用措施： 涂刷亲水涂层、表面微纳结构化，使凝露形成连续水膜而非分散液滴（雾状凝露比珠状凝露）； 光学元件表面超净处理，避免油膜等污染物附着，维持亲水性； 采用透明导电膜加热、红外加热或隔热设计，消除辐射冷却造成的局部低温； 结合疏水处理与防雾剂，使液滴接触角大于150°,滚动角小于10°,液滴在表面难以停 对光学腔体充干燥空气或氮气，使相对湿度维持在30%以下。常用饱和蒸汽压公式对于在不同环境温度下的空气饱和蒸汽压，可利用WMO于1966年推荐的Goff-Gratch公式进行计算，适用范围0～100℃,使用到0～50℃过冷水面无明显误差，表达为公式（A.1）。ESW273.16T−4ESW273.16T−4ESW——饱和蒸汽压，单位为帕（Pa）；T——绝对温度，单位为开氏度（K）。纯冰平面表面，在0℃~50℃范围内，饱和蒸汽压esw为:ESW——饱和蒸汽压，单位为帕（Pa）；T——绝对温度，单位为开氏度（K）。绝对温度T的计算公式如下：t——温度，单位为摄氏度(℃);T——绝对温度，单位为开氏度（K）。根据WMO在2008年第六版《气象仪器和观测方法指南》中计算饱和水汽压的公式，温度适用范围为-45℃~60℃,其在纯水平面的饱和水蒸汽压ESW为:t——温度，单位为摄氏度(℃);ESW——饱和蒸汽压，单位为帕（Pa）。露点温度查询表露点温度查询见表B.1。表B.1露点温度查询表相对湿度%RH露点温度℃2030环境温度℃-25-46.77-40.58-36.82-34.07-31.89-30.08-28.53-27.17-25.96-20-42.60-36.21-32.30-29.44-27.18-25.30-23.68-22.27-21.00-15-38.48-31.85-27.79-24.82-22.47-20.51-18.83-17.36-16.05-10-34.38-27.50-23.29-20.21-17.77-15.73-13.99-12.46-11.09-5-30.29-23.17-18.80-15.61-13.07-10.96-9.15-7.56-6.140-26.22-18.85-14.32-11.01-8.38-6.19-4.31-2.66-1.185-22.68-15.09-10.42-7.00-4.29-2.03-0.091.853.59-19.19-11.37-6.57-3.04-0.252.384.686.718.53-15.74-7.70-2.760.994.307.079.4611.5713.4720-12.34-4.081.155.448.8711