基于空调排风与墙体能量交换的建筑节能

论文摘要

本课题立足于建筑节能的目标与要求,在现有的建筑材料和建筑结构基础上,结合建筑设备,采用较为合理的节能方式和方法,达到建筑复合节能的目标。结合建筑围护结构本体和空调设备的排风热回收,提出了一种新型的建筑围护结构——夹层通风墙体,整体优化建筑节能,在回收空调排风能量的同时,墙体的热工性能得到改善,人体与墙体的热辐射减弱,提高了建筑物内人体的热舒适性,达到了节能环保的目的。本文针对基于空调排风与墙体能量交换的建筑节能问题,采用理论结合实验的研究方法对夹层通风墙体进行了研究,主要研究内容包括:（1）采用有限元法对夹层通风墙体内的气流的温度场和速度场进行模拟分析计算,讨论其最佳的参数设计,分析了在实验室条件下和实际工程中,不同建筑层高情况下的空气夹层设计时的厚度与高度的最佳比值,经模拟计算,最佳取值为1/55;讨论了通风墙体夹层的进风口风速对节能效果的影响情况,确定其最佳取值范围为0.6～1.0m/s;进出风口高度对速度场和温度场的影响情况,进出风口高度小于200mm时,对整个夹层的通风效果影响不大,当风口高度为250-500mm时,对夹层通风效果影响较大,需合理安排。（2）搭建模拟实验房对夹层通风墙体对空调排风的能量回收以及建筑空调负荷节能情况进行实验研究,实测了夹层通风墙体内的速度场与温度场的变化情况,同时实测普通墙体的各种热工参数,并进行比较;通过实验研究验证数值模拟结果基本符合实际,实测了夹层通风墙体的内墙温度与室内空气温度之间的差值,实测了夹层通风墙体空调节能值为0.05KW/KW制冷（热）量。（3）通过对我国不同传热系数外墙的办公建筑的空调冷热负荷进行模拟计算,讨论了墙体传热系数对空调负荷的影响情况,模拟结果表明,应根据各地不同的气候条件选择合理的建筑外墙结构。对于北方寒冷地区,应尽量采用传热系数小的外墙以达到减少空调热负荷的目的;对于南方以空调冷负荷为主的建筑,盲目追求传热系数小的外墙对夏季空调节能反而会起到相反的效果。（4）对夹层通风墙体的工程应用化进行了讨论,进行了夹层通风墙体节能的技术经济分析,分析结果表明,采用夹层通风墙体,投资回收期较短,在本文算例中,上海地区典型办公建筑的投资回收期为4年。分析了夹层通风墙体的工程适用条件,夹层通风墙体适用于外墙面积大、新风量大、空调负荷大的建筑。结合医院的手术洁净室空调采用夹层通风墙体的实例,论证了其工程应用的合理性和可行性。本课题主要根据上海地区的气候地域特点对基于空调排风与墙体能量交换的建筑节能进行了理论与应用研究,所得出的方法与结论可供相关的建筑节能理论、研究、设计参考。

论文目录

• 符号说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 空调系统节能措施
• 1.2.2 建筑技术措施的节能研究
• 1.2.3 尚待解决的问题
• 1.3 本文的主要研究内容及方法
• 第二章 夹层通风墙体的理论分析研究
• 2.1 墙体传热的理论分析
• 2.2 夹层通风墙体传热系数的分析
• 2.2.1 夹层通风墙体稳态传热系数的理论分析
• 2.2.2 夹层通风墙体物理模型
• 2.2.3 夹层通风墙体数学模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 空调排风与墙体能量交换的实验研究
• 3.1 实验方案
• 3.1.1 实验原理
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 实验步骤
• 3.1.4 实验系统测量不确定度分析
• 3.2 空调排风与墙体能量交换的实验
• 3.2.1 实验的取值范围
• 3.2.2 实验的时间
• 3.3 空调排风与墙体能量交换的实验结果分析
• 3.3.1 实验开始前的外界条件
• 3.3.2 测试数据分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 空调排风与墙体能量交换的数值模拟
• 4.1 有限元法对二维非稳态导热问题分析
• 4.2 模拟计算几何模型的建立
• 4.2.1 封闭夹层的几何简化模型
• 4.2.2 通风夹层的几何简化模型
• 4.2.3 通风夹层的数学模型
• 4.3 模拟计算边界条件的确定
• 4.3.1 室外温度对传热数值计算的影响
• 4.3.2 围护结构壁面温度的确定
• 4.4 模拟结果及分析
• 4.4.1 有限元法
• 4.4.2 ANSYS 软件介绍
• 4.4.3 空气夹层为自然对流时的数值模拟
• 4.4.4 空气夹层机械通风状态下温度场和速度场
• 4.5 实验数据与模拟结果比较
• 4.5.1 模拟结果与实测值比较
• 4.5.2 模拟结果与实测值误差分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 空调排风与墙体能量交换的参数优化
• 5.1 空气夹层厚度和高度的参数优化
• 5.1.1 进出风口间距为3300mm 时的封闭夹层
• 5.1.2 进出风口间距为3300mm 时的通风夹层
• 5.2 空气夹层高度继续增加的参数优化
• 5.3 建筑外墙传热系数对空调负荷的影响
• 5.3.1 DeST 的功能特点
• 5.3.2 模拟计算办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响
• 5.3.3 模拟计算办公建筑外墙传热系数对空调负荷的影响结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 夹层通风墙体工程化应用分析研究
• 6.1 夹层通风墙体的经济性分析
• 6.1.1 办公建筑经济性分析初始参数
• 6.1.2 采用夹层通风墙体增加初始投资估算
• 6.1.3 夹层通风墙体节约耗电电费计算
• 6.2 夹层通风墙体追加投资收益分析
• 6.2.1 静态投资回收期 T
• 6.2.2 动态投资回收期 Td
• 6.2.3 内部收益率 IRR
• 6.2.4 对已有建筑改造投资收益分析
• 6.2.5 与自然通风形式能耗比较
• 6.3 社会效益分析
• 6.4 夹层通风墙体的适用条件
• 6.4.1 夹层通风墙体的适用条件
• 6.4.2 夹层通风墙体的工程应用
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文的主要创新之处
• 7.3 展望及对后续工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 发明专利