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建筑热惰性研究进展

作者:未知

  摘要:建筑热惰性的合理利用可以降低室内温度波动,提高舒适度,是被动式建筑设计技术的重要手段之一。文章详细分析了建筑热惰性的理论基础和研究方法,对热惰性主要研究领域进行了归纳整理,并对其研究进展和存在问题进行了总结。指出研究方向和研究重点。
  关键词:建筑热惰性建筑能耗热物性参数
  中图分类号:TU111.19+5
  文献标识码:A
  文章编号:1001-5922(2019)08-0056-03
  1 理论基础
  建筑热惰性的研究是基于周期性不稳定传热对围护结构热稳定性影响的相关理论。最先由苏联学者0.E.BдiaCOB教授(1933年)提出蓄热系数S、条件厚度理论、以及温度波振幅的衰减等一系列理论和公式。B.Д.马钦斯基教授(1948年)在此基础上进一步研究了温度波在围护结构内部和内表面的衰减、温度波动相位角的延迟,并提出了表征均质材料热物性的热扩散系数,奠定了建筑热惰性相关理论的基础[1]。F.Bruckmayer和B.C.Raychaudhury(1961年)进一步提出了时间常数(TTC)的概念来表示多层结构的等效热扩散系数。南非的范斯特拉顿(1968年)等采用整个建筑物单位外表面积内的热容量C与总传热系数U的比值(RC)来表示建筑物的有效扩散系数,并作为在不稳定传热条件下建筑物热工性能的标准。不过目前关于热惰性的理论研究主要是基于周期性不稳定传热理论基础上均质围护结构内外蓄热体等对建筑热稳定性、室内舒适性以及暖通空调系统负荷峰值的延迟和衰减等方面的影响研究,也有学者虑到现实中另外一些围护结构(窗户、内墙、楼板以及室内陈设等)等的共同影响,尝试对建筑物整体热惰性进行研究,还没有取得突破性的进展。
  2 研究方法
  建筑热惰性的研究是建立在周期性不稳定传热的动态热特性基础上,其研究方法与现行常用的动态热特性研究方法基本一致。不过在分析建筑物热惰性过程中,常遇到建筑物不同蓄热质之间的热传递问题。特别是对于材料不一、形状各异的室内蓄热质,传统分析法和数值法表达困难。考虑到建筑热惰性在此方面的独特性,本文根据蓄热质传热的不同将其分成两部分来归纳分析:外围护结构和室内不规则蓄热体。
  围护结构传热是一个复杂的不稳定传热过程。(1952年)苏联A.M.ⅢKJIOBep《周期热作用下的传热》一书中提出谐波反应法。(1965年)Carrier公司提出蓄热系数法,加拿大D.C .Stephenson和G.P.Mitalas提出房间反应系数法(1967年)和传递函数法(1971年)等。目前为止,基于围护结构的多种非稳态传热分析方法,建筑非稳态传热基本分析方法已经发展到动态特性的研究。Antonopoulos将模拟建筑热特性的方法总结分为两类,一类是所谓的细致法。这类方法依赖于计算机程序计算,所需计算时间较长,步骤较多。一方法称为简化法,如有效热容模型,热耗散模型,热时间常数模型等。C.A.Balaras将这些简化模型根据其输入因子、输出结果和限制条件等进行了分类,并在建筑热惰性的影响、负载类型和其他设计因素限制水平等方面进行了归纳整理分析。这些模型特点是将根据研究对象将建筑热特性归纳于一两个热特性参数,通过这些参数来对建筑热惰性进行研究。
  内蓄热体包括建筑隔断和家具等,形式各异,材料不一,在计算过程中需要进行简化处理。目前主要有两种方法:①有效板层法。Antonopoulos将家具假定为一定厚度的平板,然后对该平板传热采用非稳态传热处理,该方法称为有效板层法。目前模拟软件Dest和EnergyPlus都利用了此方法来处理家具或者内隔断的蓄热问题。②虚拟球法。虚拟球的概念首次由Gao为了分析解决复杂形状物体的传热问题提出。Y.Li首次引入虚拟球法来研究具有不均匀温度分布和材料不均一的蓄热体特性,并在此基础上提出了室内温度衰减系数和延迟时间计算公式。该方法利用Fo准则数相同即温度趋势变化相同的特点,将不同的蓄热体集中到一个虚拟球中去考虑它们的总蓄热性能。该计算方法不仅仅适用于室内家具传热,也可以用来研究整个建筑物的热惰性。周军莉为分析形状不规则的内蓄热体的蓄热作用,引入虚拟球法,联合外墙内侧温度分布计算式及室内热平衡方程,最终得到了以虚拟球法模拟室内蓄热作用的自然通风建筑室内温度计算方法。通过与其他模型结果比较,该方法更为准确,尤其是在计算室内温度波动上。
  3 研究进展
  根据上述研究方法,采用理论分析、现场测试、实验模拟等手段在建筑热惰性相关领域进行了大量的研究。按照研究内容不同,本文将有关热惰性领域大致分为以下四类,每种内容之间会有不同交叉。
  3.1 热惰性影响因素
  通过实际测量、数值模拟、参数分析等手段分析设计因素、围护结构、室内蓄热体和室内热源因素等对建筑热惰性的影响。JoseA等通过对西班牙新旧两栋教学楼测试研究发现:墙体厚度并不是影响房屋热惯性的主要因素,还有更多的诸如太阳辐射、内墙饰面材料,换气次数等因素将对房屋的热惰性产生更大的影响。Balcomb.J等对建筑中的墙壁、地板、天花板和家具等蓄热体的位置、材料和厚度等对其蓄热性能的影响进行了研究,并提出了昼夜热容量的概念。研究指出蓄热性能和蓄热体蓄热量大小、蓄热体位置等因素有紧密的关系。目前对围护结构热惰性的研究是最多的也是最全面的,其研究方法一般是通过不同材料和设计条件进行组合设计,降低建筑能耗。内蓄热体虽然在室内没有直接接触到室外环境,Jonathan Karlsson等通过实验或模拟等证明了室内蓄热体对室内热舒适的有利影响。还有学者将室内热源强度处理为按正弦规律变化的周期函数,研究周期性变化内热源条件下室内热环境变化,发现室内温度的双峰值的现象以及某些情况下室内温度比室外温度先达到最大值。
  3.2 结合自然通风
  建筑热惰性与自然通风技术相结合的一种被动式技术,即在自然运行建筑中,最大限度地利用室外热流,结合建筑围护结构以及室内家具等的蓄热作用,达到较舒适的室内环境。这一领域的研究目前主要集中在夜间通风的实验研究及数值模拟应用上,而有关自然通风耦合蓄热问题分析较少。G.Brow利用空心楼板蓄热性能与机械通风相结合,即风机日夜运转通过空心楼板中的通风降温而不采用空调制冷。Edna Shavi等模拟了以色列濕热气候下四个地区的夏季夜间通风情况。分别对四种不同热质(轻质、中轻质、中重质、重质)和四种通风条件(无夜间通风、夜间自然通风、夜间机械通风、夜间机械通风但不同换气次数)下的室内温度变化的情况作了研究。得到了室内外最高温度的差与建筑物蓄热特性的线性关系。JimmyYam等在周期性室外气象条件下通过集总参数法对单区自然通风建筑进行了理论分析,分别对绝热围护结构下定流量以及变流量(热压自然通风)内蓄热体对室内温度影响进行了详细探讨,并提出衡量内蓄热体影响的参数:无量纲换热数及内蓄热体时间常数。两参数对室内空气温度衰减系数和延迟时间有重要影响。而无论是定流量自然通风还是变流量自然通风,室内温度均呈现正弦周期性波动。   3.3 相變蓄能复合技术
  利用相变储能复合材料构筑建筑围护结构更大程度地降低室内温度波动,提高舒适度,少用甚至不用暖通空调系统。康艳兵等提出了夜间通风相变贮能堆积床系统(NVP)的概念,分析了系统的实测降温效果,表明利用相变储能复合材料构筑建筑围护结构,可以更大程度地降低室内温度波动,提高舒适度,降低供暖空调能耗。李百战等将自制复合轻质相变墙体,结合夜间通风技术,进行了室内热环境对比实验。结果表明:相变材料应用于轻质房间,能显著增强围护结构的热惰性,提高室内的热舒适性,采取夜间通风技术,可以有效地将日间蓄积的热量散至室外;与普通房间相比较,室内温度最高降低11℃左右,节能效果显著。总之,相变储能与通风结合,是一个相较于应用普通的建筑材料更好的技术,有着广阔的前景。
  3.4 结合暖通空调系统调控
  利用建筑热惰性对室内温度波的延迟衰减现象,结合暖通空调系统的调控作用,采用“削峰填谷”策略达到节能的目的。国内学者对此研究比较多,国外学者更倾向于研究利用建筑热惰性达到零能耗的目的。Ruud等在佛罗里达州Jacksonville地区的一栋办公建筑中利用建筑蓄热在夜间和周末为建筑预冷以降低白天的空调负荷,结果显示可减少约18%的制冷能耗,许建柳等通过理论计算和实验实测的方法研究了间歇供热或制冷情况下,复合材料墙体的材料排列方式下室内温度波动对HVAC系统调控作用的响应。王蕾就不同围护结构热惰性对空调启停时间的影响进行了详细分析。白贵平等引入了围护结构的“热稳定性度时数(DH)”和“反应系数(BER)”的概念,分析了不同形式的围护结构对室内空调冷负荷及室内空气热稳定性的影响。
  4 结语
  综上所述,本文对建筑热惰性的理论基础和研究方法进行了总结,并在此基础上将建筑热惰性主要研究领域进行了归纳分类。从目前的研究成果来看,国内外对建筑热惰性相关领域都进行了较为广泛的研究。在传统领域已经进行了较为系统深入的研究,例如理论研究方面,基于周期性不稳定传热理论基础上对室内外蓄热体热特性的研究,以及蓄热部件优化方面。不过现实中建筑热特性是受到围护结构各因素(窗户、内墙、楼板以及室内陈设等)的共同影响,现有的热惰性的理论计算并不能完全描述用来建筑物整体的热稳定性。由于建筑物整体热惰性的研究过于复杂,已有学者尝试对建筑物整体热惰性进行研究,还没有取得突破性的进展。从建筑热惰性的实际建筑利用来看,目前已经有不少建筑采用了自然通风与建筑蓄热相结合的被动式降温方式、相变蓄热围护结构在一些建筑中也得到了有效利用,不过建筑热惰性与暖通空调系统的调控结合使用仅在理论实验阶段。
  目前的这些研究对设计师而言,首要目标是确定一个建筑的最佳热惰性指标(不是单指围护结构D),然后进行室内外蓄热体的优化布置,以达到降低室内温度波动,提高舒适度,少用甚至不用暖通空调系统的目的。因此建筑热惰性的研究需要建立一个具有特定标准的工具或者模型,能在设计最初的阶段给予设计师指导。
  参考文献
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