围护结构湿迁移对室内热环境及空调负荷影响关系研究

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导师姓名
刘艳峰
学科专业
供热  供燃气  通风及空调工程
文献出处
西安建筑科技大学   2013年
关键词
围护结构论文  热湿耦合论文  表面湿迁移论文  热环境论文  负荷论文
论文摘要

准确掌握建筑冷热负荷是节能分析、暖通系统设计和运行控制的基础。建筑冷热负荷主要通过围护结构内表面的热流体现,而该热流又与围护结构内部及表面的热湿迁移过程有关。目前相关设计规范和负荷分析软件大多建立在传热理论基础上,虽有学者对围护结构内部热湿耦合迁移机理和室内空气中的湿迁移过程进行了深入研究,但关于围护结构内部湿传递和表面湿迁移对负荷的影响关系尚少见报道。我国地域辽阔,热湿气候多样,忽略围护结构湿迁移必然会对室内热环境及建筑冷热负荷分析造成不同程度的误差。针对现有负荷计算方法难以体现围护结构湿迁移对其影响的情况,本文综合利用理论分析、验证分析、数值计算和现场测试的方法,研究了围护结构湿迁移对室内热环境和建筑冷热负荷的定量影响关系。通过对围护结构热湿迁移机理分析,建立了完善的围护结构热湿耦合传递及内表面热湿迁移数学模型;针对以往围护结构传热传质系数的恒值设定,难以反映该系数随环境变化的情况,通过研究获得了传热传质系数随温度和湿度变化的函数关系。针对围护结构热湿耦合传递非线性控制方程,利用COMSOL Multiphysics软件中的系数型偏微分方程模块进行了编程求解,分析了多种边界条件下考虑与未考虑墙体湿迁移情况下,墙体内表面温度及热流的差异特性,获得了墙体传湿对传热过程的影响关系。研究发现:考虑传湿与不考虑传湿相比,不同材料墙体内表面温度的降低值:松木板墙,0.1℃~1.4℃;混凝土墙,0~0.2℃;多孔砖墙,0.1℃~0.7℃。考虑传湿时墙体内表面的潜热换热量占壁体总传热量的比值:松木板墙:12%~73%;混凝土墙:0~8%;多孔砖墙:9%~36%。在分析墙体湿迁移对传热过程影响的基础上,结合围护结构热湿耦合传递过程计算程序,利用MATLAB对整体房间热湿环境分析方程组进行了编程计算,分析了围护结构湿迁移对内表面温度及室内热环境的影响关系;考虑到墙体含湿量差异,分别对4种墙体含湿量不同的建筑内表面温度和室内空气热湿状态进行了现场测试,分析了墙体含湿及湿传递对室内热环境的影响。结果表明,夏季空调期,墙体内表面的湿迁移作用可明显降低墙体内表面温度,进而降低平均辐射温度,在同等热舒适条件下,可以减少空调负荷或使用时间;墙体内表面的吸放湿过程对室内湿环境的调节作用随室外相对湿度幅度的增大而明显,而对室内空气温度的影响较小;考虑墙体传湿与未考虑墙体传湿相比,室内空气相对湿度的降低幅度为,广州:5%左右;西安:3%左右;哈尔滨:3%左右;北京:5%左右。针对湿热地区白天空调降温、夜间自然通风降温的建筑,研究了墙体湿传递和表面湿迁移在考虑夜间换气的情况下对室内热湿环境及负荷的影响。结果表明,夜间通风换气次数的大小对室温降低效果的差别不明显,而对室内空气相对湿度的影响较为显著;考虑传湿与未考虑传湿时总负荷相比较,夜间换气次数为5次/时,总负荷减少6%左右,15次/时,总负荷却增加20%左右,可见,在热湿气候区,夜间通风换气次数需合理设置才可有效降低空调负荷。针对我国建筑热湿气候地域差别大的特点,通过对典型气象年最热月和最冷月的平均室外空气相对湿度进行统计,以相对湿度作为区划指标对我国进行湿气候区划分,获得冬季及夏季的湿气侯分区;通过大量分析计算,提出考虑墙体湿传递和表面湿迁移时的建筑负荷的计算方法,获得了湿热、湿冷、干热、干冷地区主要城市在考虑墙体湿传递和表面湿迁移时建筑负荷的修正程度。为工程应用提供参考。

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摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 多孔材料热湿迁移

1.2.2 多孔材料表面吸放湿

1.2.3 空调负荷计算方法

1.2.4 热湿耦合模型的求解方法及工具

1.3 论文目的及主要研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 主要研究内容

1.3.3. 研究路线

2. 墙体传热传湿机理分析

2.1 墙体传湿机理分析

2.1.1 传湿机理

2.1.2 湿组分流的表示方法

2.1.3 等温传湿与非等温传湿

2.2 墙体传热机理分析

2.3 墙体热湿耦合迁移机理分析

2.4 本章小结

3. 建筑热湿耦合迁移过程分析

3.1 围护结构热湿耦合迁移数学模型

3.1.1 湿迁移控制方程

3.1.2 热迁移控制方程

3.1.3 定解条件

3.2 围护结构内表面热湿迁移过程分析

3.2.1 传湿过程分析

3.2.2 传热过程分析

3.3 室内空气热湿平衡方程

3.3.1 室内空气湿平衡方程

3.3.2 室内空气热平衡方程

3.4 围护结构热湿迁移数学模型的计算程序及验证

3.4.1 围护结构热湿迁移数学模型计算程序

3.4.2 实验验证

3.4.3 解析解验证

3.4.4 数值解验证

3.5 本章小结

4. 墙体传湿对传热的影响分析

4.1 概述

4.2 材料热湿物性参数对墙体热湿耦合传递的影响分析

4.2.1 等温吸放湿平衡曲线

4.2.2 水蒸气渗透系数

4.2.3 热湿控制方程系数随温湿度的变化特性

4.2.4 变材料热湿物性参数对热湿耦合传递的影响分析

4.3 初始含湿量对热湿耦合传递的影响分析

4.4 定常边界条件下传湿对内表面温度及热流的定量影响关系研究

4.4.1 定常边界条件下传湿对传热的影响

4.4.2 室外相对湿度对内表面温度及热流的影响

4.5 周期性边界条件下传湿对内表面温度的定量影响关系研究

4.5.1 室外相对湿度周期性变化对墙体内表面温度的影响

4.5.2 周期性边界条件下传湿对内表面温度的影响

4.5.3 节能性分析

4.6 本章小结

5. 湿迁移对室内热环境的影响分析

5.1 概述

5.2 平均辐射温度对人体热舒适的影响

5.3 室外温湿度的确定

5.4 建筑热湿数学模型的计算程序及验证

5.4.1 热湿耦合传递计算程序

5.4.2 解析解验证计算程序

5.5 墙体传湿对室内温湿度的影响

5.6 墙体传湿对内表面温度的影响

5.7 建筑室内热湿环境测试

5.7.1 测试概况

5.7.2 测试内容、仪器及测试现场

5.7.3 夏季实测结果及分析

5.7.4 冬季实测结果及分析

5.8 本章小结

6. 湿迁移对冷热负荷的影响分析

6.1 湿分区及室外气象参数的确定

6.1.1 湿分区

6.1.2 室外气象参数的确定

6.2 湿迁移对湿热地区室内热环境及空调负荷的影响关系分析

6.2.1 湿迁移对热环境及负荷的影响关系分析

6.2.2 考虑湿迁移时夜间通风换气次数对室内热环境及负荷的影响分析

6.3 湿迁移对干热地区室内热环境及空调负荷的定量影响关系分析

6.4 湿迁移对湿冷地区室内热环境及空调负荷的定量影响关系分析

6.5 湿迁移对干冷地区室内热环境及空调负荷的定量影响关系分析

6.6 全国主要城市的负荷修正

6.7 本章小结

7. 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间科研成果

图表目录

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