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保温性能对自然通风和空调间歇运行建筑室内热环境影响的研究

袁丽婷  
【摘要】:我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季湿冷的气候特征、居民生活习惯和经济条件等因素决定了该地区建筑主要有两种运行模式,即自然通风和空调间歇运行式通风。有效改善自然通风建筑热环境和实现建筑节能成为这一地区关注的重要问题,而准确估计建筑中室内外传热过程是实现建筑节能和建筑热舒适的前提。由于建筑物热惰性的作用,室内热环境和空调能耗不仅受当下室外气候的影响,还受前期传热过程的影响,故在气候多变的实际天气条件下,数个典型日内的建筑热过程和能耗很难代表全年的热工特性。因此,有必要就这两类建筑全年热过程进行研究。但是,这两类建筑热过程物理模型的求解中需考虑通风、室内空气和围护结构表面之间的耦合换热过程,而这一过程的求解难度高,若在全年实际气候条件下,现有的方法将不能求解这一过程。探索出能够快速地获取空气与固体表面耦合换热行为特征的方法,成为分析这两种建筑全年热环境和能耗的关键。因此,本文对墙体传热的物理过程进行了分析,在适当简化的基础上,给出了描述这类墙体传热的控制方程,并给出了对应的解析解,通过与Matlab数值程序的结合,实现了快速计算建筑耦合换热过程的目标。利用这一方法,即使以全年气候条件为背景,也可将上一周期建筑热特性对下一周期的影响考虑在内,为自然通风和空调间歇运行建筑全年热行为特征的分析研究奠定了理论基础。围护结构传热的保温隔热性能是影响自然通风房间热环境的重要因素,但目前关于保温隔热性能的研究多是针对空调建筑,自然通风建筑的相关研究几乎没有。本文分别就不同窗墙比时,外墙和外窗保温性能对室内热环境的影响进行了研究,引入不利因子、有利因子和热不舒适度来评估提高外墙和外窗保温性能改善室内热环境的潜力和实际效果。结果显示,潜力预测结果和改善效果的分析结果一致,一般地,夏季和冬季热不舒适度随外墙保温层热阻的增加而明显下降,但在窗墙比较大的建筑中,冬季室内热环境受外墙保温性能的影响很小。降低外窗传热系数可有效提高冬季室内热舒适性,但在夏季产生了不利影响;就全年而言,室内热环境不舒适度随外窗传热系数的减小均呈直线下降。根据室内热舒适改善程度的分析结果,本文建议夏热冬冷地区气候条件下,自然通风建筑中外墙保温层热阻最多达到1.0 m2?℃/W即可;外窗应尽可能降低传热系数,参考《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,本文建议外窗传热系数可取至2.3 W/(m2?℃)。在此基础上,本文亦给出了外墙或外窗采用最适保温方案后,热不舒适改善度的预测模型。为明确夏热冬冷地区自然通风建筑提高热舒适性的思路,本文还分析了夜间通风和内部蓄热量对室内热环境的影响,并比较了热环境对外墙保温性能、外窗保温性能、夜间通风和内部蓄热量四个因素的敏感性。结果表明,热环境对外墙和外窗保温性能的敏感性的相对大小存在临界窗墙比,当窗墙比小于0.6时,应重点加强外墙保温,若窗墙比大于0.6,则恰好相反。增大夜间通风换气量是改善夏季热环境的最有效方法。与其他三个因素相比,内部蓄热量对夏季和冬季室内热环境的影响几乎均可以忽略。空调系统间歇运行时,室内蓄热体不可避免地会出现蓄热和放热过程,为分析由此对空调能耗的影响,本文在人工气候室内实测不同家具蓄热量时的间歇供暖过程。结果表明,间歇供暖房间中,由于蓄热体的存在导致大量热量的不能直接用于提高人体热舒适水平,而是加热内部蓄热体,因此,房间蓄热量越大,供暖能耗越大。此外,对于空调系统间歇运行的建筑,实际气候多变可能会造成墙体实际传热特点与典型日气候条件下的情况不完全相同,从而引起负荷特征也不同。本文采用上海市2011年6月~2014年3月的气候条件研究了墙体保温方式和保温层热阻对墙体传热及空调能耗的影响。结果显示,从空调系统设备的容量配置、能耗和系统稳定运行的角度来看,均为采用内保温效果更好。而空调停运期间,外保温墙体内侧的蓄冷和蓄热是造成能耗大的重要原因。夏热冬冷地区空调间歇运行建筑外墙保温层建议热阻为1.0 m2??C/W。


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