夏热冬冷地区住宅节能型围护结构热工特性分析与实验研究（可编辑）

夏热冬冷地区住宅节能型围护结构热工特性与实验研究（可编辑） 夏热冬冷 地区住宅 节能型 围护结 构热工特 性 分析与实 验研究 重庆大学硕士学位论文 学生姓 名: 张 涛 指导教 师:王 厚华 教 授 专 业:供 热、供 燃气、 通风及 空调工 程 学科门 类:工 学重庆大学城市建设与环境工程学院 二 O 一一 年十一 月 Study on Residential Building Envelope Thermal Performance Analysis and Experiment in Hot Summer and Cold Winter ZoneA Thesis Submitted to ChongqingUniversity in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Zhang Tao Supervised by Prof. Wang Houhua Major: Heating, Gassing, Ventilating and Air-conditioning EngineeringFaculty of Urban Construction and Environmental Engineering ofChongqingUniversity, Chongqing, China November, 2011中文摘要 摘 要 自 居 住 建 筑 标 准 实 施 以 来 , 夏 热 冬 冷 地 区 居 住 建 筑 的 室 内 热 环 境 得 到 了 有 效 的 改 善。 随着 国 家对 节能 减 排要 求的 日 益提 高, 夏 热冬 冷地 区 实施 建筑 节 能 65% 标 准 已迫 在眉 睫 ,在 此标 准 下, 围护 结 构承 担的 节 能率 将在 原 基础 上提 升 30% , 即节能率为 32.5% 。 论 文 选 取 了 夏 热 冬 冷 地 区 七 个 城 市 为 代 表 城 市 , 以 六 层 居 住 建 筑 为 模 型 , 利 用能耗模拟软件 VisualDOE4.0 , 分析了外墙传热系数、屋面传热系数、外窗 传 热 系 数 及 遮 阳 系 数 对 建 筑 物 能 耗 的 影 响 ; 并 基 于 标 准 中 规 定 的 限 值 , 适 当 降 低 各 围 护 结 构 热 工 参 数 时 , 分 析 建 筑 全 年 节 能 率 的 提 升 情 况 ; 通 过 组 合 方 案 设 计 , 模 拟 分析不同窗墙比下满足围护结构节能 32.5% 的组合; 在此方案下, 仅改变墙体 传热系数的值, 进一步细化满足围护结构节能 32.5% 时墙体传热系数的限值; 从而 得到各城市居住建筑节能 65% 时的节能综合指标。 同时, 通过 2010 冬夏两季的对比性实验, 分析实验结果。 比较实验节能 率与 相 同 情 况 下 的 模 拟 节 能 率 , 以 及 实 测 壁 面 温 度 与 模 拟 壁 面 温 度 的 分 布 情 况 , 得 出 实验结果与模拟结果吻合的很好,验证了能耗软件 VisualDOE4.0 模 拟结果的正确 性。 墙 体 作 为 建 筑 外 表 面 积 最 大 的 部 位 , 其 对 全 年 节 能 率 的 影 响 也 最 大 , 研 究 其 传 热 特 性 对 建 筑 能 耗 以 及 室 内 舒 适 性 有 着 重 大 的 意 义 。 论 文 以 重 庆 地 区 外 保 温 墙 体和基础墙体的夏季实验数据为边界条件,结合软件 Fluent 分析两种墙体内外表 面 温 度 随 时 间 的 变 化 规 律 , 并 且 研 究 两 种 墙 体 各 层 材 料 的 蓄 热 量 、 热 流 密 度 的 变 化情况,从而分析两种墙体的吸放热特性。 通 过 对 重 庆 地 区 八 月 室 外 温 湿 度 的 测 量 , 并 分 析 得 出 重 庆 地 区 八 月 夜 间 的 通 风 潜 力 。 同 时 通 过 理 论 计 算 得 出 通 风 时 段 合 理 的 气 流 组 织 掠 过 墙 体 条 件 下 墙 体 与 气 流 的 换 热 量 , 进 一 步 分 析 表 明 当 气 流 以 一 定 速 度 掠 过 墙 体 西 内 壁 面 时 , 可 释 放 其白天蓄积的热量。 关键词 : 居 住建筑,节能, 围护结构 ,窗墙比,墙体蓄热I 重庆大学硕士 学位论文 II 英文摘要 ABSTRACT With the implement of "Design standard for energy-efficiency of residential buildings in hot summer and cold winter zone" JGJ134-2001, it can improve the indoor thermally comfortable environment of the residential buildings in hot summer and cold winter zone effectively. As the energy-saving and environmental protection are require to be increasingly improved, it is extremely urgent to implement the standard of sixty-five percent energy-saving of residential buildings in hot summer and cold winterThen the envelope energy efficiency will improve 30% on the original basis , that is 32.5%Residential buildings were selected as the research object in the seven typical cities of hot summer and cold winter zone. The model of six-storey residential building was set up. And with using of energy consumption software VisualDOE4.0, the paper analysis the thermal performance of exterior wall, roof, and window which influence on the energy consumption. And on the basis of the enclosure limit value of the 50% energy-saving standard, analysis the improvement situation of the annual energy-saving ratio when improving the thermal performance of the residential building enclosure structures. By the combination schemes design, the combination schemes with the different window-wall ratio which can afford the envelope energy efficiency of 32.5% was obtained. Then just varies the heat transfer coefficient of exterior wall on this combination scheme, the limit value of heat transfer coefficient of exterior wall was gained. Conclusion this it can get the comprehensive index of residential building energy efficiency of 65% Meanwhile ,according to the comparative experiment of winter and summer in 2010, energy-saving effect was analyzed. Then comparison the energy-saving ratio and the temperature between experiment and simulation, the simulation results are accordant with measurement results. It is fully verified the correctness of simulation calculationsAs the biggest part of building external surround area, exterior wall has great influence on the annual energy efficiency, so it has great meanings on the building energy consumption and indoor comfortableness to have a research on the heat transfer characteristic of exterior wall. The experiment of external insulation wall and basic wall in summer was established. The experiment data were used for the boundary conditions of software FLUENT, and the interior temperature distribution of each material layer of III 重庆大学硕士学位论文 the two walls were abtained. Then it can get the heat storage, heat flux of each material layer by analysing these temperature distribution. Conclusion these, the heat absorption and heat release characteristics was obtainedBy the measurement of the outdoor temperature of Chongqing in August, we get that the total ventilation time of the Chongqing in August night is 109h. At the same time, by theoretical calculation we get heat transfer rate between the wall and the airflow under the condition of right air flow over the wall. Further analysis indicates that the heat storage could be released, when the air flow over the wall beyond a certain velocityKeywords: Residential Building, Energy Saving, Envelope Structure, Window-wall Ratio, Heat Storage of Wall;IV 目 录 目 录 中文摘要. I 英文摘要. III 1 绪 论 1 1.1 课 题 背景1 1.1.1 建筑节 能的含义. 1 1.1.2 建筑节 能必要性1 1.2 国 内 外研究 现 状2 1.2.1 国外建 筑节能技术研究现状 2 1.2.2 国内居 住建筑节能现状4 1.3 论 文 研究概 述 6 1.3.1 课题的 提出及论文的主要内容6 1.3.2 论文研 究的目的与意义7 1.3.3 技术路 线7 2 建 筑 围 护 结 构 非 稳 态 传 热 分 析 方 法 与 模 拟 软 件9 2.1 围 护 结构非 稳 态 传热分 析 方 法9 2.1.1 四种分 析方法简介. 9 2.1.2 选择模 拟方法及模拟软件10 2.2 能 耗 模拟软 件 VisualDOE4.0 简介 11 2.2.1 模拟软 件 VisualDOE4.0 的技术 发展过程. 11 2.2.2 计算方 法和原理简介. 11 2.2.3 软件用 户界面使用简介 12 2.3 数 值 模拟软 件 FLUENT 简介. 14 2.4 本 章 小结 14 3 夏 热 冬 冷 地 区 居 住 建 筑 围 护 结 构 节 能 贡 献 率15 3.1 夏 热 冬冷地 区 各 城市能 耗 指 标及模 拟 条 件. 15 3.1.1 各城市 能耗指标的计算. 15 3.1.2 标准中 基础建筑的 定义 16 3.2 模 拟 建筑及 其 模 拟能耗 17 3.2.1 模拟建 筑模型. 17 3.2.2 模拟能 耗的计算 17 3.3 墙 体 节能情 况 分 析18 V 重庆大学硕士学位论文 3.3.1 墙体的 构造方案 19 3.3.2 能耗模 拟分析. 19 3.4 屋 面 节能情 况 分 析22 3.5 窗 的 热工性 能 对 节能率 的 影 响 24 3.5.1 遮阳系 数的节能贡献率分析. 24 3.5.2 外窗传 热系数的节能贡献率分析28 3.6 本 章 小结 31 4 综 合 方 案 设 计 及 对 比 性 实 验 验 证33 4.1 综 合 节能分 析. 33 4.1.1 试验方 案. 33 4.1.2 模拟结 果分析. 35 4.2 墙 体 传热系 数 的 限值. 37 4.3 节 能 综合指 标. 39 4.3.1 节能综 合指标的确定. 39 4.3.2 室内外 温度的对比41 4.4 对 比 性实验42 4.4.1 实验与 模拟节能率分析 42 4.4.2 实验与 模拟室温比较. 46 4.5 本 章 小结 48 5 夏 季 墙 体 吸 放 热 特 性 及 其 实 验 研 究49 5.1 建 筑 墙体蓄 热 过 程的理 论 分 析 49 5.1.1 建筑围 护结构热传递过程49 5.1.2 蓄热作 用下室内冷负荷的形成 50 5.2 实 验 概况 50 5.2.1 实验小 室概况. 51 5.2.2 实验方 案 52 5.2.3 实验仪 器及其标定53 5.3 墙 体 蓄放热 特 性 的实验 研 究. 54 5.3.1 实验结 果分析. 54 5.3.2 墙体非 稳态传热的数值计算. 56 5.3.3 墙体吸 放热特性分析. 58 5.4 蓄 热 作用下 室 内 通风量 的 理 论计算. 63 5.4.1 计算原 理 64 5.4.2 实验数 据分析. 66 VI 目 录 5.4.3 自然情 况下通风量的计算67 5.4.4 机械通 风下通风量的计算70 5.5 机 械 通风下 的 CFD 模拟 73 5.5.1 模型的 建立73 5.5.2 边界条 件的确定 74 5.5.3 模拟结 果分析. 74 5.6 本 章 小结78 6 结论与展望81 6.1 结论81 6.2 展望82 致 谢. 83 参考文献. 85 附 录. 89 作 者 在 攻读学 位 期 间发表 的 论 文89VII 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题背景 1.1.1 建 筑 节能的含 义 我 们 一 般 所 说 的 建 筑 能 耗 主 要 包 括 采 暖 、 空 调 、 通 风 、 照 明 、 炊 事 、 热 水 供 应 和 家 用 电 器 等 的 能 源 消 耗 。 建 筑 的 能 源 利 用 效 率 可 以 定 义 为 : 能 源 利 用 过 程 中 的 有 效 部 分 与 输 入 能 源 总 量 之 比值 。 建 筑 节 能 的 关 键 在 于 采 取 技 术 上 可 行 、 经 济 上 合 理 、 环 境 和 社 会 可 以 承 受 的 措 施 , 减 少 能 源 从 生 产 到 消 费 等 各 个 环 节 中 的 损 失和浪费,更加有效地利用能源。自 1973 年 发生世界性的石油危机以来的 30 多 年 间 , 建 筑 节 能 的 含 义 经 历 了 三 个 阶 段 : 第 一 , 建 筑 中 的 节 约 能 源 , 也 就 是 在 房 屋 建 造 过 程 中 节 约 能 源 ; 第 二 , 建 筑 中 保 持 能 源 , 为 在 建 筑 中 减 少 能 量 的 损 失 ; 第 三 , 在 建 筑 中 提 高 能 源 利 用 效 率 , 即 主 动 地 节 约 能 源 消 耗 , 提 高 利 用 效 率 。 在 我 国 , 建 筑 节 能 的 含 义 为 第 三 层 意 思 , 即 建 筑 中 合 理 地 使 用 能 源 , 不 断 提 高 能 源 [1] 的利用效率 。 1.1.2 建 筑节 能必要性 能 源 是 国 民 经 济 的 动 力 , 关 系 到 社 会 的 正 常 运 行 和 发 展 , 关 系 到 生 态 环 境 , 关 系 到 国 家 安 全 , 也 涉 及 到 子 孙 后 代 的 生 存 与 发 展 。 能 源 安 全 直 接 影 响 到 国 家 安 全、社会稳定及可持续 发展。1973 年西方世界爆发了石油危机,全球性能源意识 被 唤 起 , 世 界 各 国 , 尤 其 是 西 方 发 达 国 家 比 以 往 任 何 时 候 都 更 加 深 刻 地 体 会 到 能 源不仅关系到经济发展,而且还关系到国家和民族的兴亡。1979 年联合国在维也 纳 召 开 的 科 学 技 术 促 进 发 展 会 上 , 能 源 问 题 同 粮 食 问 题 、 人 口 问 题 、 环 境 问 题 被 列 为 人 类 面 临 的 四 大 问 题 。 人 类 的 生 存 离 不 开 能 源 , 随 着 经 济 的 发 展 与 人 口 的 增 长,人们生活水平的提高,人类对能源的需求量也在不断地增加。 我 国 能 源 的 核 心 问 题 表 现 在 : 一 方 面 能 源 的 结 构 以 煤 为 主 。 在 我 国 一 次 能 源 生产与消费构成中,煤炭所占的比例超过百分之六十七 。2004 年,在中国一次能 源生产构成中,原煤占 75.6% , 原油占 13.5% ,天然气占 3.0% , 水电占 7.9% ;另 一方面石油安全问题日趋显著。2005 年我国人均石油可采储量不到三吨,人均天 3 然气可采储量为 1000m 左右, 人均煤炭可采储量为九十吨左右, 分别为世界平均 值的 11.1% 、4.3% 和 55.4% 。 中国石油对外依存度己从 2000 年的 31% 增涨到 2005 年的 42.9% 。预计到 2020 年,石油的对外依存度将达到百分之六十, 能源的过渡 消耗严重污染环境 ,我国能源安全尤其是石油安全问题越来越突出。 建 筑 节 能 是 我 国 能 源 节 约 的 首 要 战 略 。 十 一 届 三 中 全 会 以 来 , 随 着 我 国 经 济 的 快 速 发 展 , 建 筑 业 也 得 到 快 速 的 发 展 , 特 别 是 近 十 年 来 深 化 住 房 制 度 的 改 革 , 1 重庆大学硕士学位论文 实现了住宅产业化和国民经济的快速发展。21 世纪头 20 年, 将成为我国建筑业发 展的黄金时期, 据估算, 到 2020 年全国住宅建筑面积在数量上比 2000 年翻一番。 目前,我国正在加快建设的步伐,每年竣工的住宅面积高达 16 至 20 亿平方米, 比所有发达国家竣工面积的总和还多, 拉动国民经济增长约 2% , 改 善了人民的生 [2] 活水平和满足了人民的住房需求 。 众所周之, 我国人口数量多, 随着生活水平不 断的改善,建筑能耗增长迅猛,所占全国能耗总量的比例正在逐步提高。2001 年 进行估算, 发现我国建筑能耗占全国能耗总量的 27.5% , 其中住宅能耗约为商用建 筑的 2 倍。依照当前建筑能耗发展速度,到 2020 年,我国建筑能耗将消耗 10.89 亿吨标准煤, 是 2000 年的三倍多, 空调高峰时段的负荷约为十个三峡大 坝的满负 荷电力。 如果国家从现在起能够高度重视建筑节能工作, 这样到 2020 年, 我国建 筑能耗可节省 3.35 亿吨标准煤, 空调高峰负荷可降低 8000 万千瓦时, 约为 4.5 个 三峡发电站的发电量, 同时可节约电力建设投资约 6000 亿元, 从而可以缓解能源 [3] 的紧张 。 由此可见,建筑节能刻不容缓。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国 外建 筑节能技 术研究现 状 国 外 特 别 是 发 达 国 家 的 建 筑 节 能 工 作 是 从 制 定 和 执 行 建 筑 节 能 标 准 开 始 的 , 已 经 取 得 了 非 常 明 显 的 节 能 效 果 。 各 国 的 标 准 适 用 的 建 筑 对 象 是 有 所 区 别 的 , 有 [4] 的适用所有建筑, 而有的适用于某类特殊的 建筑 。 发达国家的建筑节能标准有几 个 特 点 : ? 制 定 了 严 格 的 外 围 护 结 构 的 传 热 系 数 限 值 ; ? 根 据 科 技 进 步 和 节 能 环 保的需要不断地修订标准。 如英、 德、 法已经经过 4 次修订, 而丹麦已经修订了 6 [5] 次 。 我 国 现 行 的 节 能 标 准 外 围 护 结 构 的 传 热 系 数 限 值 是 英 国 2002 年 标 准 的 1.5~4.0 倍(采暖度日数相近地区) ,差距非常明显。 美国建筑节能标准 ASHRAE/IESNA Standard 90.1 自从 1989 年颁布以来,分 [6] 别在 1999 年、2001 年、2004 年修订过三次,2004 年最新版的修订 实际 上是在 2001 版本的基础上增加了 32 条补充条款, 包括围护结构、 热水设施、 动力、 照明 和其它设备等各个方面。变化最大的是围护结构限值从原来 26 个气候区变成了 8 区 ; 照 明 强 度 指 标 部 分 也 有 较 大 的 改 变 , 室 内 与 室 外 可 以 用 建 筑 面 积 指 标 法 或 空 间法确定,并对照明自控装置作了明确规定。 日本在 1979 年 6 月通 过了《能源法》 。它是建立节能体制最完善的国家,从 中 央 到 地 方 都 建 立 了 一 套 完 备 的 能 源 管 理 机 构 和 咨 询 机 构 , 专 门 研 究 节 能 问 题 。 此 外 , 还 普 遍 建 立 了 民 间 组 织 ? 节 能 中 心 , 彼 此 交 流 经 验 。 日 本 这 种 自 上 而 下 的 [7] 全国性建筑节能工作体制,收到了很大的效果 。 在 研 究 方 面 , 建 筑 外 围 护 结 构 保 温 措 施 作 为 重 要 的 建 筑 节 能 技 术 , 受 到 了 世 2 1 绪 论 界范围内的高度重视。追根溯源,这一技术起源于上世纪 40 年代的瑞典和德国, 至今已有 70 多年的历史。 总之看来, 国外对建筑外围护结构保温措施的研究比较 [8] 2 2 2 系统、 。Marcelo Izquierdo 对三种不同建筑面积 (80m 、150m 、300m )的 住 宅 保 温 层 厚 度 进 行 实 验 研 究 , 发 现 最 优 的 保 温 层 厚 度 与 用 户 种 类 、 保 温 层 物 理 特性、 成本及建筑物使用寿命有很大关系。 利用模拟仿真通过统计 10 年测量结果 发现: 当建筑物寿命期为 50 (或 70) 年时, 三种不同住宅保温层厚度最优值分别 为 4cm 、10cm 、12cm (或 5cm 、10cm 、12cm)。 [9] Afif Hasan 基于全生命周期成本分析的原理计算出了外墙的全生命周期节能 成本, 采用石棉和聚苯板保温时每平方米节省 21 美元。 根据墙体结构的不同, 石 棉保温材料的投资回收期在 1 年到 1.7 年之间, 而聚苯板的投资回收期在 1.3 年到 [10] 2.3 年之间。Timothy Carter ,Andrew Keeler 利用生命周期成本理论对搜集到的绿 色 建 筑 屋 面 实 验 数 据 进 行 了 分 析 , 结 果 显 示 该 屋 面 成 本 的 净 现 值 比 传 统 建 筑 增 加 了 10% ~14% ,但是建筑能耗的净现值却比传统建筑降低了 20% 。 [11] O, A. 一文用数值模拟的方法分析了通过双层玻璃 传递 的热量,它的目的是 确定不 同 气 候 双 层 玻 璃 中 空 气 层 的 最 佳 厚 度 。 该 论 文 选 取 土 耳 其 不 同 气 候 的 四 个 典型城市, 设定窗高为 80cm , 空气厚度的初始值为 4mm 。 改变 空气层的厚度, 得 出四个城市 最佳厚度, 其中安塔利亚的最佳厚度为 18-21mm , 卡拉 尔为 12-15mm , 其他城市均在 15-18mm ; 若 采用 导热系数更低的气体代替空气, 节能效果会更好。 [12] Choi,G.-S 对不同厚度的保温材料(聚苯乙烯)的保温性能做了实验研究, 通 过 测 量 进 入 保 温 墙 体 的 热 流 量 来 计 算 其 导 热 系 数 , 得 出 以 下 结 论 : 当 保 温 材 料 厚度从 20~80cm ,墙 体的热阻从 4% 增加 到 8% ;实 测值与理论值之间的误差仅有 3% ,说明采用测量热流量来计算导热系数的值的方法值得推广。 [13] //.eza ,A.Castell 在地中海 地区通过 对 比性实验 对 几种常用 绝 热材料的 性能进行测试, 它们分别为挤塑聚苯乙烯泡沫板 (XPS ) 、 矿物棉 (MW ) 、 喷 雾泡 沫聚氨酯 (PUR ) 。 通 过对比性实验得出如下结论: 加外保温材料的小屋室内温度 比 不 加 保 温 材 料 的 较 高 ( 冬 季 ) 且 稳 定 ; 仅 对 外 墙 加 保 温 材 料 , 冬 夏 的 节 能 率 在 28% 以上,其中节能情况最好的是 PUR 外保温,冬季最高节能率为 37% ;夏 季最 高节能率为 49% 夜 间 通 风 作 为 新 型 的 建 筑 节 能 技 术 , 欧 美 的 一 些 国 家 在 过 去 几 十 年 间 对 其 进 行 了 较 为 系 统 的 研 究 。 研 究 方 法 从 简 单 的 、 定 性 的 研 究 向 更 精 确 、 更 系 统 的 研 究 [14] 迈进。Givoni 利用热应力指标来评价人们对舒适性的要求, 由此指标来确 定满足 舒 适 度 的 建 筑 设 计 , 并 且 得 出 了 通 风 情 况 下 达 到 室 内 舒 适 时 的 自 然 气 候 范 围 ; Givoni 的实验结果 表明 , 当建筑围护结构保温性能较好、 蓄热性能较高、通风 较 好 的 情 况 下 , 夏季 夜 间 通 风 建 筑 室 内 温 度 的 最 高 值 与 室 外 空 气 温 度 最 高 值 的 差 值 3 重庆大学硕士学位论文 大约为室外空气温度日振幅的一半。 Birtles 等人利用 Givoni 得出的自然气候范围, [15] 并对其 进行分析,得出各个地区夜间通风技术的适用潜力 。 [16] Geros 等人结合实验与理论的方法对夜间通风进行了详细的研究 。 利用实测 研 究 建 筑 构 造 、 室 外 气 象 参 数 、 通 风 方 式 以 及 换 气 次 数 四 个 因 素 对 室 内 舒 适 度 的 影响 。 结 果 表 明 , 夜 间 通 风 效 果 主 要 受 夜 间 室 内 外 温 差 、 有 效 气 流 速 度 和 建 筑 的 热容量 的影响。 Shaviv 等人利用 Energy 软件对以色列 4 个典型地区的夏季夜间通风情况进行 [17] 了模拟 。 模拟结果为: 这 4 个地区的夜间通风效果主要受建筑围护结构的蓄热、 昼夜温差和通风换气次数的影响。 Geros 等人利用 Aiolos 和 Trnsys 模拟软件对城市中心区域和郊区微气候条件 [18] 下建筑夜间通风进行分析 。Aiolos 软件主要确定房间的通风换气次数,Trnsys 主要用于分析房间的动态热过程。 Stefano 等人针对意大利米兰地区的一栋办公建筑进行了研究,研究该办公建 筑墙体主体结构采用空心混凝土砖时室内温度分布的情况。利用 Simulink 动态 模 型, 建立了通风空心板办公建筑的数学模型。 分析两种围护结构的房间温度分布, [19] 发现这种空心结构比传统结构的通风降温效果更好 。 1.2.2 国 内居 住建筑节 能现状 我国建筑节能工作始于 20 世纪 80 年代。迄今为止,我国发布与实施 的建筑 节能标准有:1986 年建设部颁布的 JGJ26-86《民用建筑节能设计标准(采暖 居住 [20] 建筑部分) 》 ,1995 年建设部颁布 的 JGJ26-95《民用建筑节能设计标准(采暖 [21] 居住建筑部分) 》 ,2000 年建设部 颁布的 JGJ129-2000 《既有采暖居住建筑节能 [22] 改造技术规程》 和 JGJ132-2001 《采暖居住建筑节能检验标准》 , 以及 2001 年建 [23] 设部颁布的 JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 ,2010 年建 [24] 设部颁布的 JGJ134-2010 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 。 上述标 准的 颁布 , 标 志 着 我 国 的 建 筑 节 能 工 作 从 节 能 技 术 研 究 开 发 , 技 术 标 准 制 定 、 推广 以 及 工 程 试 点 转 向 全 行 业 行 政 推 动 阶 段 。 各 省 、 自 治 区 和 直 辖 市 也 成 立 了 相 应 的 墙 体 材 料 革 新 和 建 筑 节 能 办 公 室 , 负 责 推 广 各 省 市 的 建 筑 节 能 的 组 织 管 理 工 作 。 目 前 节 能 建 筑 的 工 程 实 施 也 已 从 点 向 面 逐 步 扩 展 , 从 少 数 北 方 城 市 发 展 为 几 十 个 南 方城市成批建设建筑节能示范小区;建成的示范工程已超过 100 万平方米。全国 每年建成的节能建筑,从 “ 九五” 初期刚超过 0.1 亿平方米发展到 “ 九五” 末期的 0.5 亿平方米; 据不完全统计, 2000 年全国累计建成节能建筑面积 1.8 亿平方米。 2006 年 , 我 国 制 定 包 括 全 国 各 地 区 的 居 住 建 筑 节 能 设 计 标 准 , 使 之 成 为 国 家 标 准 , 现 在 少 数 地 区 已 经 颁 布 了 地 方 性 的 建 筑 节 能 标 准 , 如 上 海 、 深 圳 、 重 庆 等 地 区 , 其 [25-28] 目的 是要在全国范围内,强制执行建筑节能 。 4 1 绪 论 [29] 在研究方面, 王培铭 分析了外墙外保温的节能机理,通过对比项试验研究 上海地区 2002 年 9 月~2003 年 2 月利用外墙外保温体系的房屋相对于不用外墙保 温 房 屋 的 节 能 效 率 . 得 出 在 上 海 最 冷 季 节 , 外 墙 外 保 温 相 对 于 不 保 温 外 墙 的 节 能 效率超过 40%,证实了外墙外保温广泛的使用意义。 [30] 王焱 对 住 宅 建 筑 的 节 能 问 题 进 行 了 研 究 , 考 虑 夏 热 冬 冷 地 区 气 候 因 素 对 住 宅 建 筑 的 影 响 , 并 综 合 考 虑 建 筑 规 划 、 体 型 、 房 间 以 及 围 护 结 构 热 工 特 性 对 住 宅 建筑节能的影响;提出了错列式东西向遮阳板、双层皮等节能措施的设想。 [31] [32] 周正 、刘刚 分 别 对 重 庆 和 深 圳 地 区 住 宅 建 筑 的 各 围 护 结 构 节 能 技 术 做了 大量的研究和问卷调查 。 利用建筑能耗模拟软件 DOE 模 拟了常用围护结构的节能 措 施 与 节 能 率 的 关 系 以 及 两 个 地 区 夜 间 通 风 节 能 情 况 , 得 出 了 适 合 长 江 流 域 各 城 市住宅建筑的一些节能方案, 为 夏热冬冷地区建筑节能 65% 标准的制定提供参考。 [33] 夏伟 利用 气候分析软件 weather tool 对全国两百个城市进行了分析 分, 利用 相 关 软 件 进 行 了 验 证 与 定 性 分 析 , 并 得 出 各 策 略 在 不 同 气 候 区 内 的 有 效 排 序 以 及 适用程度 。 它们分别为: 建筑物的蓄热性能、 建筑物的蓄热性能+ 夜间通风、 自然 通风、 太阳能的利用, 夏热冬冷地区来说各个策略的有效性为: 自然通风 建筑物 蓄热性能+ 夜间通风 建筑物的蓄热性能 太阳能的利用。 [34] 于靖华 提 出了围护结构热工特性系统评价指标 EETP 来评价居住建筑围护 结 构 的 整 体 热 工 特 性 , 可 以 反 映 建 筑 围 护 结 构 的 保 温 隔 热 总 体 水 平 。 该 指 标 包 括 围 护 结 构 的 传 热 系 数 , 外 墙 、 屋 顶 的 太 阳 辐 射 吸 收 系 数 、 玻 璃 窗 的 遮 阳 系 数 的 太 阳得热因子及建筑的体形系数。 [35, 36] [37, 38] 吴伟伟 、 庄燕燕 利用建筑能耗软件 VisualDOE4.0 针对长江流域七个 典型 城 市 的 同 一 模 型 进 行 了 能 耗 模 拟 , 分 析 了 各 围 护 结 构 节 能 措 施 下 的 节 能 率 。 同时搭建实验小室, 通过设计对比性实验, 进一步验证了能耗软件模拟的正确性。 同时利 用 数 值 分 析 的 方 法 分 析 了 复 合 墙 体 的 热 工 特 性 , 并 比 较 内 外 保 温 对 建 筑 节 能以及室内温度分布的影响。 夜 间 通 风 是 一 种 有 效 的 降 温 方 式 , 这 一 点 在 国 外 已 得 到 证 实 , 但 在 我 国 还 很 [39] 少 对 这 种 降 温 方 式 的 主 动 利 用 。 陈 翠 英 提 出 一 个 可 以 预 测 特 朗 贝 墙 蓄 放 热 特 性 的 简 化 数 学 模 型 , 借 助 计 算 程 序 对 其 进 行 求 解 , 并 验 证 了 模 型 的 正 确 性 。 利 用 模 型讨论不同气象条件下蓄热墙的厚度、 热容量及导热系数对其蓄放热特性的影响, 分 析 不 同 蓄 热 部 位 下 , 蓄 热 材 料 的 热 容 量 、 厚 度 对 冬 季 采 暖 负 荷 的 影 响 及 其 结 合 通风、 遮阳作用下其夏季降温效果。 得出夜间通风换气次数超过 30 次/h 时, 不同 蓄热水平的室内冷负荷随通风换气次数的增加变化不大。 [40] 周军莉 利用数值计算方法对夏季建筑蓄热耦合自然通风下室内温度进行计 算 基 础 上 , 分 析 了 外 墙 、 内 部 家 具 等 参 数 对 室 内 温 度 的 影 响 , 得 出 室 内 温 度 最 大 5 重庆大学硕士学位论文 值 随 着 室 内 蓄 热 体 增 加 而 线 性 增 加 。 并 在 此 基 础 上 , 提 出 工 程 中 考 虑 建 筑 蓄 热 的 自 然 通 风 建 筑 室 内 分 析 模 型 , 利 用 该 模 型 进 行 扩 展 研 究 , 对 夜 间 通 风 技 术 进 行 了 计算分析,得出在夜间通风换气次数为 20 次/h 时,室内温度最大值基本不 变。 1.3 论文研究概述 1.3.1 课 题的 提出及论 文的主要 内容 JGJ134-2001 《 夏 热冬冷 地 区 居住建 筑 节 能设计 标 准 》实施 以 来 ,有效 地 改 善 了 夏 热 冬 冷 地 区 居 住 建 筑 的 室 内 热 环 境 。 随 着 国 家 对 节 能 减 排 要 求 的 日 益 提 高 , 夏 热 冬冷 地区 实 施建 筑节 能 65% 标 准 已迫 在眉 睫 。夏 热冬 冷 地区 最为 显 著的 气候 特 点 主 要 有 两 点 : 一 是 水 热 同 季 , 湿 润 多 雨 ; 二 是 冬 冷 夏 热 , 四 季 分 明 。 该 地 区 夏 季 高 温 , 与 全 国 比 较 相 当 突 出 , 高 温 日 的 炎 热 程 度 有 时 已 达 到 使 人 难 以 忍 受 的 地 步 , 春 、 秋 、 冬 三 季 常 常 有 冷 空 气 侵 袭 , 特 别 是 冬 季 有 强 烈 寒 潮 南 下 , 不 但 全 区 性 降 温 猛 烈 、 温 度 低 , 有 的 地 方 还 时 常 伴 有 大 风 和 冰 雪 。 因 此 该 地 区 建 筑 节 能 的 方 式 不 像 寒 冷 地 区 单 一 地 要 求 围 护 结 构 的 保 温 性 能 , 还 要 考 虑 围 护 结 构 的 隔 热 性 能 。因 此该 地 区要 实现 居 住建 筑节 能 65% 的 目 标, 主要 方 式有 两种 : 其一 ,适 当地提高建筑围护结构的热工性能;其二,重视遮阳与通风。 已 有 的研 究中 通 过提 高围 护 结构 的热 工 性能 来达 到 居住 建筑 节 能 50% 的方 案 较 多 ,但 是对 夏 热冬 冷地 区 居住 建筑 节 能 65% 体系 且结合 实 验的 研究 甚 少; 关于 夏季夜间蓄热耦合通风方面的研究较多, 主要是改变通风次数来达到室内舒适度, 这 样 往 往 使 得 通 风 换 气 次 数 过 大 , 并 未 考 虑 合 理 的 气 流 组 织 可 以 加 快 蓄 热 体 的 散 热作用,从而减少通风量。 因 此 , 本 课 题 将对 夏 热 冬 冷 地 区 住 宅 节 能 型 围 护 结 构 热 工 特 性 进 行 模拟 分析 以及实验研究 ,主要内容如下: ?分析居住建筑节能 65% 时各围护结构热工参数限值 利用建筑能耗模拟软件 VisualDOE4.0 模拟 分析各围护结构对建筑总能耗的影 响趋 势; 并在 JGJ134-2010 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 的基础上, 研 究 满 足居 住建 筑 节能 65% 时各 围护 结 构热 工性 能 参数 的限 值 ;分 析各 城 市居 住建 筑节能 65% 时的综合节能指标; ?对比性实验的验证 利 用 对 比 性 实 验 分 析 重 庆 地 区 冬 夏 两 季 的 节 能 率 以 及 室 内 舒 适 度 , 通 过 比 较 实验结果与软件模拟结果,对能耗模拟软件 VisualDOE4.0 模拟结果的正确性进行 验证; ? 研 究 基 础 墙 体 和 外 保 温 墙 体 夏 季 的 吸 放 热 特 性 , 确 定 最 佳 通 风 时 段 与 通 风 量 6 1 绪 论 将夏季实验结果作为外墙体非稳态传热的边界条件,利用 Fluent 软件对其进 行 数 值 模 拟 , 分 析 两 种 墙 体 内 外 表 面 温 度 随 时 间 的 变 化 规 律 , 并 且 研 究 两 种 墙 体 各 层 材 料 的 蓄 热 量 、 热 流 密 度 的 变 化 情 况 , 从 而 确 定 两 种 墙 体 的 吸 放 热 特 性 ; 通 过 理 论 计 算 自 然 通 风 情 况 和 合 理 气 流 组 织 情 况 下 两 种 墙 体 的 散 热 量 以 及 所 需 的 通 风量。 1.3.2 论 文研 究的目的 与意义 本课题的主要目的在于为夏热冬冷的七个典型城市制订居住建筑节能 65%设 计 标 准 提 供 基 础 数 据 , 加 快 夏 热 冬 冷 地 区 实 现 第 三 步 节 能 计 划 的 步 骤 , 进 一 步 推 动 建 筑 节 能 工 作 的 进 展 ; 并 且 通 过 研 究 建 筑 外 围 护 部 件 的 吸 放 热 特 性 , 对 节 能 措 施的有效运用提供理论依据。 本 课 题的 主要 意 义在 于 为制定夏 热冬 冷 各地 区居 住 建筑 围护 节 能 65% 标准 提 供 理 论 依 据 ; 能 为 现 有 的 建 筑 节 能 标 准 提 供 理 论 支 持 ; 通 过 实 测 与 软 件 结 合 , 验 证 软 件 模 拟 结果 的 准 确 性 , 为 通 过 软 件 模 拟 得出 的 一些 研 究 或 标 准 提 供 依 据 。 结 合 夏 热 冬 冷 地 区 的 地 理 条 件 以 及 气 候 条 件 , 采 取 节 能 措 施 最 大 限 度 地 减 少 建 筑 围 护 能 耗 , 具 有 经 济 和 环 保 意 义 ; 通 过 模 拟 得 出 的 各 项 指 标 , 为 夏 热 冬 冷 地 区 居 住 建筑节能 65% 标准的制定提供参考 。 1.3.3 技 术路 线 本文的技术路线如下: ? 理论研究 通 过 大 量 阅 读 相 关 文 献 , 了 解 我 国 建 筑 节 能 技 术 以 及 当 前 我 国 的 节 能 形 势 。 通过综合分析以及讨论, 提出本文的主要研究方向 。 ? 利用 VisualDOE4.0 进行模拟分析 利用能耗模拟软件 VisualDOE4.0 建立模型,分别对夏热冬冷地区七个典型 城 市 居 住 建 筑 的 能 耗 进 行 模 拟 ; 首 先 以 基 础 建 筑 为 基 础 , 单 独 改 变 各 围 护 结 构 的 热 工 参 数 时 , 其 对 建 筑 能 耗 以 及 节 能 率 的 影 响 规 律 ; 然 后 以 夏 热 冬 冷 地 区 居 住 建 筑 节 能 设 计 标 准 为 依 据 , 在 标 准 中 规 定