基于人体热适应需求的居住建筑外墙热工设计方法及关键参数研究-郭超月.pdf

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1、暖通空调HV&AC 2018年第48卷第1期 113穹羽帮衬基子人体热适应需求的居住建筑外墙燕工设计方法及关键参数研究西安建筑科技大学郭超月赵蕾杨柳*摘要基于我国寒冷地区人体热适应需求，根据热平衡原理，采用非稳态算法，将人体热舒适气候适应性模型应用于被动式建筑外墙保温材料最优热工性能参数的反向求解方法中，得到了适用于西安地区不同承重结构建筑外墙最优保温材料的比热容与密度的乘积、导热系数及厚度等参数之间的关系。将采用优化热工性能参数保温材料的新型外墙建筑的自然室温与传统外墙建筑的自然室温进行了对比分析。结果表明，外墙采用优化热工性能参数保温材料的建筑自然室温的全年空调度小时数和供暖度小时数分别降

2、低了815920和350718。关键词 热适应 外墙保温材料热工性能参数 自然室温 空调度小时数供暖度小时数Thermal design method and key parameters ofresidential building envelopes based onhUman thermal adaptation demandBy Guo ChooyueZhoo Lei ond Yong LtuAbstract Based on the human thermal adaptation demand in ChinaS cold zone，according to theprincipl

3、e of thermal equilibriumapplies the climate adaptation model of human thermal comfort to thereverse solving method of optimal thermal properties of passive building envelope thermal insulationmaterials using the unsteadystate algorithmObtains the relationship among the product of specific heatcapaci

4、ty and densitythe thermal conductivity and the thickness of envelope thermal insulation materialswith different bearing structures in Xia11Compares the natural indoor air temperature of the buildingsusing new type of envelclpe thermal insulation materials with optimal thermal properties with that of

5、 thetraditional buildingsThe results show that the degree hours of naturalindoor air temIperature in the coolingand heating seasons can be reduced by 815to 920and 350to 718respectively when adoptingthe envelope thermalinsulation materials with optimal thermal propertiesKeywords thermal adaptation，ex

6、terior wall，thermalinsulation material，thermal property，naturalindoor air temperature，cooling degree hours，heating degree hoursXian University ot Architecture and Technology，XianChina0 引言目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的30，根据发达国家的经验，这一比例将逐步增加到40左右1。为了实现我国建成资源节约型和环境友好型社会的目标，需要优化建筑围护结构的*国家杰出青年科学基金资助项目(编号：51325803)郭超

7、月，1991年2月生，女，硕士研究生，助理工程师杨柳(通信作者)710055陕西省诬安市碑林区雁塔路13号西安建筑科技大学建筑学院(029)82205390E-mail：yangliuxauateducrl收稿日期：20160325一次修回：20160512二次修回：201712一05万方数据114 暖通空调HV&AC 2018年第48卷第1期 专题研讨设计来减少建筑能耗或者提高建筑能源应用系统的能效，实现建筑节能。建筑物的围护结构和自然通风状况是影响建筑自然室温(不采取强制通风、供暖或空调等设备，在自然条件下所形成的建筑室内空气温度)的主要因素。自然室温能反映围护结构对外界气候和建筑使用条件

8、的综合调节作用z。建筑设计过程中一般依照我国建筑节能设计标准对围护结构传热系数限值(依据各地区现有的建筑能耗基数，以各地区规定的节能率为目标而确定的)的规定，通过不同承重结构(砖砌体、钢筋混凝土等)和保温材料的组合使外墙的传热系数小于或等于该限值，来确定适合的承重结构类型及厚度。这样，建筑的自然室温并非全年都能满足人体的热舒适要求，不能满足的时段需要由空调或供暖系统来辅助调节。目前，空调供暖系统设备的容量是在定室温、定围护结构热工参数情况下计算确定的，围护结构的热工性能会对空调和供暖能耗产生显著影响，且影响程度随建筑所处的气候区域和使用条件不同而不同。为了充分利用围护结构来应对室外气象条件的变

9、化，以往20多年间，我国通过引进国外先进技术理念和自主研发等方式，在围护结构保温隔热技术领域取得了很大的发展，开发出了多种新型节能材料，如蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖、多孔砖、加气混凝土、空心砌块等33；对居住建筑外墙保温层厚度也进行了优化研究4，提出夏热冬暖、夏热冬冷、寒冷及严寒地区岩棉板的最佳保温厚度分别为20，60，70，100 mm，这些都可有效提高建筑物的节能率。文献E5基于被动式建筑设计，以夏季28、冬季18作为室内设计温度，建立室内、外通过围护结构传热的非稳态传热方程，反向求解得到理想墙体的导热系数及密度和比热容的乘积，并给出了适合北京地区的最优墙体热工性能参数，且进行了实验验证。但

10、是，该文献在研究外墙热工性能参数时忽略了建筑对承重性能的要求，而且将室温设为定值，不符合人体热舒适温度具有随所处地域不同及室外温度变化而变化的特点。如果能设计出最优的围护结构，使室外气象条件的影响经过其衰减延迟后所形成的自然室温能够充分接近人体热舒适温度曲线，那么建筑空调和供暖能耗就可以减小，甚至为零。因此，本文基于文献5所提出的确定被动式建筑外墙最优热工性能参数的反向求解方法，兼顾外墙的承重性能，在建筑内人体热舒适温度已知的前提下对外墙保温材料的热工性能参数进行研究，以达到建筑的自然室温充分接近人体热舒适温度曲线而使建筑空调和供暖能耗最小的目的。1房间模型及气候条件11房间模型及参数以某住宅

11、楼标准层中的一个房间为研究对象，其东、西、北向墙为内墙，房间的几何参数及围护结构热工参数和内热源情况如表1所示。表1 房间围护结构的热工参数和内热源特征参数长宽高m外窗尺寸m外窗材料外窗传热系数(W(m2K)外窗透射比人员散热量照明功率(Wm2)换气次数h一334531515铝合金辐射率025，LowE中空玻璃(空气层厚度12rnm)280442人每人散热量为108 W151012气象参数及热舒适温度根据气象数据集6给出的西安典型气象年逐时室外气象参数拟合得到室外日平均空气温度(下文简称室外空气温度)表达式为t。一1301142cos(0015 93r)+0207 4sin(0015 93r)

12、 (1)式中t。为室外空气温度，。C；r为日序号(r一1时代表1月1日，r-365时代表12月31日)。文献7指出，人体热舒适温度与室外气温呈线性关系，并在此基础上得出了不同气候区的热适应模型，其中我国寒冷地区的人体热舒适温度可表示为t一0271t。+20014(158) (10)JrHDHI(一ti)d (ti) (11)J式(10)，(11)中r，为时间，h。度小时数越小，自然室温的舒适度越高，空调和供暖能耗越小；反之，度小时数越大，自然室温的万方数据2018(t) 郭超月，等：基于人体热适应需求的居住建筑外墙热工设计方法及关键参数研究 117舒适度越低，空调和供暖能耗越大；当CDH和HD

13、H为0时，自然室温与人体热舒适温度相等，即可达到零能耗。32与传统外墙的比较为了评价外墙采用了优化热工性能参数的保温材料后建筑的舒适性和节能性，以采用传统外墙的建筑为参照，分析2种外墙建筑的自然室温的差异。规范规定西安地区建筑外墙传热系数的限值为060W(m2K)1引。本文以60 rnIn厚膨胀聚苯板保温材料与370 rnlTl厚砖砌体承重结构构成的传统外墙(传热系数为053 w(m2K)为例，利用EnergyPlus软件分别对传统外墙建筑和采用优化热工性能参数的保温材料的新型外墙(承重结构与传统外墙相同)建筑进行建模，模拟得到传统外墙和新型外墙的建筑自然室温，如图4所示。将图3中的每组最优热

14、工参数作为外墙保温材料的性能参数代人用EnergyPlus建立的建筑模型中模拟得到相应的自然室温，它们都处于图4中所示的温度区间内。时BJd宦外气体 人体热舒适温度 传统外墙建筑的自然室温新I!外墙建筑的自然室温区BJ上限 新型外墙建筑的自然室赳区fHJ F限图4传统外墙和新型外墙建筑自然室温的对比用度小时数来定量评价和比较传统外墙和新型外墙建筑的自然室温的舒适度，结果见表4。表4传统外墙和新型外墙建筑的自然室温的度小时数 h由表4可见，新型外墙建筑的自然室温的空调度小时数CDH降低了81592o，供暖度小时数HDH降低了35o718，舒适性显著增强。4结论1)得到了西安市建筑外墙分别采用4种

15、外墙承重结构时相应保温材料的最优热工性能参数pc，A和厚度缸之间的关系图。2)与现有保温材料相比，建筑外墙保温材料最优比热容和密度乘积_0c的值很大，现有保温材料不能满足要求，为新型建筑保温材料的开发提供了参考。3)采用新型外墙建筑的自然室温的空调度小时数CDH降低了81592o，供暖度小时数HDH降低了350718，舒适性显著增强。参考文献：E1仇保兴发展节能与绿色建筑刻不容缓J建筑技术，2005，36(3)：168E2金招芬，朱颖心建筑环境学M北京：中国建筑工业出版社，2001：57E3李尔青，来克明关于我国建筑围护结构保温隔热技术研究现状与进展J工程建设与设计，2005(2)：50-52

16、4黄志甲住宅建筑外墙保温层厚度优化研究D合肥：安徽工业大学，2012：45475ZHANG Y，LIN K，ZHANG Q，et a1Idealthermophysical properties for free-cooling (orheating)buildings with constant thermal physicalproperty materialJEnergy and Buildings，200638(10)：116411706中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系中国建筑热环境分析专用气象数据集M北京：中国建筑工业出版社，20057茅艳人体热舒适的气候适应

17、模型D西安：西安建筑科技大学，2007：95E8 陆耀庆实用供热空调设计手册M2版北京：中国建筑工业出版社，2008：2309CRISTIAN GEquivalence between the load curveand the free-running temperature in energy estimatingmethodsJEnergy and Buildings，2006，38(5)：429-435103中国建筑科学研究院严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准：JGJ 2620los北京：中国建筑工业出版社，2010：10作者更正由于作者上传修改稿时失误，导致暖通空调杂志2017年第9期文章建筑能源需求侧管理的数据挖掘方法及案例分析作者信息遗漏，特更正为：宁波诺丁汉大学刘诗雨魏神璇瑞典达纳拉大学张行星英国剑桥大学任光瑛。(魏稀璇)万方数据