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《北京建筑大学》 2020年
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复杂山地建筑围护结构热性能及能源系统适用性研究

高伟  
【摘要】:北京冬奥会延庆赛区冬奥村位于海坨山区域,所处山区冬季气候特点、地质特点较为复杂,面临气温低、风速大、热负荷大等特点,与常规地区有明显区别,需要降低山区环境对冬奥村建筑热工性能的影响。延庆赛区将设置石笼结构围合于冬奥村建筑围护结构外侧,充分体现“山林场馆,生态冬奥”这一与山区环境融合的建筑设计理念,同时如何定量的分析出石笼结构对冬奥村建筑热工性能的影响是需要研究的问题。山地建筑所适用的能源供给形式与供暖技术方式均受到山区气候条件与地质条件影响与常规地区有差异,根据冬奥需求,需要对山区能源供给形式与供暖技术方式适用性进行研究。本文首先对海坨山区气候、气温、风速与地热能等客观条件情况进行详细研究,得到了山地气候参数及其变化特征。海坨山区冬季正常天,日平均温度为-10.4℃,日平均风速为2.99m/s。考虑寒潮发生的可能性,在大雪寒潮天,海坨山区日平均气温-21.09℃,日平均风速为5.58m/s;在大风寒潮天,海坨山区日平均温度为-27.81℃,日平均风速为9.06m/s,此工况海坨山区最低温度达到-29.79℃,表明大雪寒潮天对两地气温与风速的影响比大风寒潮天小,且山区区域气温极易受大风天影响。海坨山区地热资源丰富,热源性质良好,但各地层受到大面积花岗岩侵入,地热能利用受到一定的影响。本文分析了复杂山地气候下石笼结构形式对建筑围护结构热性能的影响。选取延庆赛区冬奥村某组团中场馆建筑,利用数值模拟方法对冬季正常天、大雪寒潮天与大风寒潮天三种工况下石笼结构对建筑热工性能的影响进行研究,重点研究了石笼结构形式对建筑外围护结构外表面对流换热系数、建筑表面风压、建筑基础室温和建筑负荷等因素的影响。研究结果表明,石笼结构可以对建筑热工性能产生显著影响。不同天气工况下,增加石笼结构均可以显著降低建筑外围护结构外表面对流换热系数,且石笼结构削弱建筑外围护结构外表面对流换热系数值效果在大风寒潮天比大雪天更为显著。通过设置石笼结构,可以明显改变建筑物表面风压分布,降低建筑表面最大风压差,从而削弱冬季冷风渗透对建筑热负荷的影响,此削弱效果在寒潮天比正常天更为明显,同时石笼结构还能够有效削弱风致噪声带来的影响。通过设置石笼结构,整个供暖季房间基础室温平均值增加了2.02℃,供暖季累计热负荷减少了24.8%。在复杂山地地质条件与气候条件下,本文针对冬奥村冬季供暖方式的技术经济可行性和适用性进行研究。经过比较分析得出适用性较好的能源供给形式主要是电能和地热能,同时适用性较好的供暖技术方式主要有低温空气源热泵、CO_2空气源热泵、中深层地埋管地源热泵及蓄热式电暖气。蓄热式电暖气与中深层地埋管地源热泵这两种供暖技术方式主要设备运行时几乎不受环境气温影响,低温空气源热泵与CO_2空气源热泵这两种供暖技术方式均能较好的适应山区冬季环境温度变化。四种适用的供暖技术方式中,中深层地埋管地源热泵技术方式节能性最高,其一次能源消耗量与碳排放量最低,而蓄热式电暖气技术方式节能性较差,一次能源消耗量与碳排放量最高;CO_2空气源热泵技术方式初投资最高,蓄热式电暖气技术方式初投资最低;中深层地埋管地源热泵技术方式运行费最低,CO_2空气源热泵技术方式所需运行费最高。结合客观条件与冬奥需求,四种供暖技术方式在适用性方面均存在如室外气候、地质条件、供暖稳定性与空间占用情况等自身优劣势。本文的研究有助于更精准的掌握冬奥会延庆赛区客观条件、场馆建筑热工性能、能源供给形式与供暖技术方式适用性,可以为延庆赛区提供更科学的运行维护设计与管理,对延庆赛区设计导则的制定提供科学的参考。
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