墙体蓄放热特性及其对建筑能耗影响的研究

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导师姓名
白雪莲
学科专业
供热  供燃气  通风及空调工程
文献出处
重庆大学   2014年
关键词
墙体蓄热性能论文  热惰性指标论文  延迟时间论文  空调间断运行模式论文  评价方法论文
论文摘要

建筑运行能耗在我国巨大的能源总消耗中占的比例很高。研究建筑自身特点,最大可能的利用自然条件来营造舒适的室内热环境是建筑节能工作研究的重点。建筑墙体可以储存热量,经过衰减后延迟释放热量。建筑墙体的这种蓄热放热特性可以加以利用,通过设置合理的采暖空调设备运行模式,有效的降低建筑运行能耗。本论文从探究墙体蓄热性能对传热过程的影响机理展开研究工作,梳理了墙体非稳态传热的计算方法,并从影响墙体构造热工性能的基本热物性参数出发,逐项分析各表征参数如热阻、传热系数、衰减倍数、延迟时间、蓄热系数和热惰性指标等各表征参数之间的相互关系及它们对墙体传热过程的影响。在对墙体蓄热性能的本质有一定的认识后,本文设置不同蓄热性能的墙体通过实验测试方法研究不同墙体外表面温度、内表面温度及室内空气温度的差异,分析了墙体对温度波的衰减和延迟作用,并且测试研究了夜间通风对墙体蓄热性能的影响。研究发现,室外空气综合温度对墙体外表面温度变化影响较大,而室外空气干球温度对墙体外表面温度的影响作用较小。但是,墙体外表面温度较室外空气综合温度其峰值出现时刻存在时间延迟。1号小室和2号小室墙体外表面温度的峰值比室外空气综合温度延迟2~4小时左右。就墙体内、外表面温度而言,1号小室西墙内外表面温度最大值之差在12~13℃之间,其时间延迟在6~7小时。而2号小室墙体内外表面温度最大值之差为24~25℃,时间延迟6小时左右。蓄热性能更好的2号小室墙体衰减倍数更大,但是其延迟时间较短。此外,通过对小室夜间通风的实验研究发现,在夜间通风情况下,2号小室更能体现出其蓄热性能的优势。即夜间通风时2号小室可以将白天蓄积在墙体内部的热量散热出去,墙体表面温度降低,与1号小室墙体内表面温度的差值变大。但是,与夜间不通风阶段一致的是1、2号小室墙体对温度波时间延迟的作用差别仍然不明显。而且研究结果还表明夜间通风仅仅是加强了夜间散热的作用,而对白天墙体蓄热阶段的影响较不明显。此外,1号小室在夜间通风阶段墙体内表面温度最大值出现时刻比不通风阶段提前2小时,而2号小室在夜间通风阶段墙体内表面温度最大值出现时刻比不通风阶段提前1小时。说明在时间延迟方面,1号小室墙体的蓄热性能对是否通风的敏感性更强。总体上,墙体蓄热性能是由墙体材料层决定的固有性能,它在发挥作用时不仅受室外空气温度和太阳辐射情况的影响,而且受室内、外空气温度变化的影响。室内空气温度差别较大时,相同墙体表现出的蓄热性能(即对温度波的衰减和延迟效果)不同。由于室外气象条件对建筑室内热环境影响较大,因此本论文在实验研究的基础上,通过EnergyPlus软件模拟研究不同气候区建筑墙体的蓄放热特性。首先,研究无冷源情况下不同地区建筑墙体蓄放热特性,通过对逐时导热量、蓄热量及累积导热量、蓄热量的分析探究气象条件对墙体蓄放热特性的影响,并分析位于不同地区的建筑墙体对室内热环境影响的差异。其次,在模拟建筑中设定空调系统,计算分析墙体蓄热量、房间逐时冷负荷和建筑全年能耗情况。为间断空调运行模式提供理论指导。通过分析发现,在空调系统连续运行时,墙体蓄热性能较好的2#小室节能效果明显。计算不同地区建筑全年空调系统耗电量得出,哈尔滨地区2#小室空调系统节能量最大,为8.79%,广州地区最小,为2.35%。北京、乌鲁木齐、重庆地区2#小室空调系统节能量分别为4.79%、7.27%、2.54%。根据上述实验测试和模拟计算的结果及结论,本论文讨论了如何在实际工程中合理的利用墙体蓄热性能以达到节能效果,论文提出了一种空调间断运行模式的确定方法。并提出通过评价因子S对间断运行模式的节能效果和室内热舒适性效果进行综合评价。此外,本论文提出利用反应系数法求解墙体逐时传热量和累积传热量来评价墙体的蓄热特性。研究结果表明,计算得出的墙体内、外表面吸热反应系数和传热反应系数能在一定程度上说明墙体的蓄热特性。利用墙体逐时传热量和累积传热量可以体现出不同使用功能建筑的差别,能够较合理、全面的评价墙体的蓄热特性。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 围护结构传热过程研究现状

1.2.2 围护结构蓄热特性的研究

1.2.3 建筑免费冷热利用的研究

1.3 课题研究的主要内容及意义

1.3.1 课题研究的主要内容

1.3.2 课题研究的意义

2 墙体蓄放热特性对传热过程的作用机理

2.1 墙体非稳态传热的计算方法

2.1.1 反应系数法

2.1.2 谐波热作用下墙体的传热过程

2.2 墙体热工参数对传热过程的影响

2.2.1 热阻和传热系数

2.2.2 延迟时间和衰减倍数

2.2.3 蓄热系数

2.2.4 热惰性指标

2.3 不同气象条件对墙体传热过程的影响

2.4 本章小结

3 墙体蓄热性能对传热过程影响的实验研究

3.1 实验目的

3.2 实验平台的设计与构建

3.2.1 实验小室概述

3.2.3 实验墙体的构建

3.2.4 热电偶的制作与标定

3.3 实验测试内容及测试仪器

3.4 实验方案设计

3.5 实验结果与数据分析

3.5.1 墙体外表面温度与室外空气温度

3.5.2 墙体内表面温度对比

3.5.3 墙体对温度波的衰减与延迟

3.5.4 通风对墙体蓄热的影响

3.6 本章小结

4 不同气候区墙体蓄热性能的模拟研究

4.1 典型城市的选择

4.2 建筑模型的建立和验证

4.2.1 模拟软件的选择

4.2.2 验证模型的建立

4.2.3 建筑模型的验证

4.3 无冷热源情况下模拟结果及分析

4.3.1 不同地区墙体导热传热量分析

4.3.2 不同地区墙体蓄热量分析

4.4 空调情况下模拟结果及分析

4.4.1 模拟条件设定

4.4.2 逐时冷负荷分析

4.4.3 墙体蓄热量分析

4.5 本章小结

5 不同气候区墙体蓄热性能的应用讨论

5.1 不同气候区下空调间歇运行模式探讨

5.1.1 空调运行方式的选择

5.1.2 节能效果比较

5.1.3 空调系统间歇运行模式的应用

5.2 不同墙体蓄热性能评价

5.2.1 有关墙体蓄热性能评价参数的分析

5.2.2 热惰性指标法的局限性

5.2.3 反应系数法的应用

5.3 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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