双向通风窗的性能研究与优化

论文摘要

节约建筑能耗和提高建筑室内空气品质是可持续建筑发展战略的两个重要课题。双向通风窗通过风机驱动气流在窗体内流动,可以向室内提供稳定通风量以满足室内空气品质的要求,且送风气流可以吸收排风气流的热量以及太阳辐射得热量,具有节能性。本文以双向通风窗为研究对象,围绕其节能性和提高室内空气品质的特性展开了如下工作。首先,通过哈尔滨地区实际气象条件下的动态实验,将双向通风窗与低辐射玻璃窗和卷帘窗作对比,分别分析了双向通风窗在密闭不通风和通风两种状态下的能耗。证明了双向通风窗三层玻璃的窗结构,在密闭不通风状态下具有良好的保温特性,同时证明其通风状态下的热回收功能,能够有效降低送风能耗,因此能够进一步提高其节能效果。其次,考虑到实验方法受到时、空的限制,而且实验费用高,本文力求通过实验方法找到理论计算模拟的依据,实验证明双向通风窗传热可以被视为二维传热。根据这一实验结论,分析双向通风窗在水平室内、外方向的传热特征以及垂直气流方向的热量传递特性,建立了双向通风窗的二维传热区域模型。由于全年能耗模拟软件EnergyPlus在计算建筑能耗方面技术成熟,而且软件允许用户根据自己的需求修改其源代码,因此本文将所建立的双向通风窗区域热平衡传热模型耦合到EnergyPlus中,利用EnergyPlus为计算平台进行双向通风窗能耗特性的模拟研究。本文应用实验数据证明了所建立数学模型以及其与EnergyPlus结合计算的可行性和准确性。再次,由于双向通风窗在通风运行时具有热回收特性,属于通风换热设备,因此不能简单借用普通窗的规范要求设计制造双向通风窗。本文建立了双向通风窗以及与其相同结构的普通窗的窗负荷传热模型,通过分析两种窗的传热差异,选择出包括窗通风量、窗尺寸、窗玻璃材料以及窗框材料等四类共13个窗负荷影响参数。由于参数过多,而且不确定参数对窗负荷影响的大小,为避免模拟算例过多,首先通过正交试验法筛选了对窗负荷影响较大的四个参数,分别为窗的通风量、窗高度、窗朝向以及窗玻璃的太阳能得热系数。然后通过列举法计算得出这四个参数的最优参数值,并将其应用到算例中,针对全国各不同气候区的室外条件进行模拟分析,得出双向通风窗在最优化设计条件下在不同气候区内的窗负荷节能率。然后,由于窗负荷不能直接转化为能耗分析讨论,因此将双向通风窗安装在建筑载体中讨论其对建筑能耗的影响,并使其与相同结构的三层普通窗和送风窗作对比,在中国五个气候区以及美国气候区分别研究其地区适应性。上述两种窗型分别代表了窗体结构相同窗自身负荷相同的窗型和同样具有热回收和室内空气品质提高作用功能的传统通风窗窗型。本文选取了两种有代表性的建筑空间,分别为80m2的公寓建筑单元和200m2的别墅建筑,前者代表外围护传热结构面积较小而窗负荷对建筑能耗影响较大的建筑,后者代表外围护传热结构面积较大而窗负荷影响较小的建筑。研究表明,双向通风窗在供暖能耗方面节能效果明显,而在供冷能耗方面节能效果微弱。因此,双向通风窗在供暖季节比较长的严寒、寒冷类地区节能性最好,在温和气候区节能效果中等,在供冷季节比较长的地区节能效果较差,但是本文证明可以通过分时段的双向通风窗通风改善其节能性。最后,为了节约建筑能耗,传统住宅建筑主要采用自然渗风的通风模式,但是随着建筑密闭性增强,渗风量越来越小,不足以驱除室内污染物,因此有必要采用机械通风模式以改善室内空气品质。本文以CO2浓度为室内空气品质的代表参数,应用区域模型模拟软件CONTAM分析了自然渗风条件下的室内污染物浓度变化特征,证明了自然渗风不足以提供标准中规定的良好的室内空气品质。同时,还分析了包括卫生间、厨房排风机集中排风、送风窗送风和双向通风窗通风几种机械通风模式对室内空气品质的影响,研究表明,只有送风窗通风和双向通风窗通风可以得到较好的室内空气环境。综合以上研究,本文证明双向通风窗通风在节能性和室内空气品质提高两方面都有较大优势,具有最好的综合使用效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及目的
• 1.2 课题研究的背景及意义
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 通风窗的分类
• 1.3.2 通风窗的工作原理
• 1.3.3 通风窗的发展历史
• 1.3.4 通风窗性能的研究方法及进展
• 1.4 论文的主要研究内容及实施方案
• 1.4.1 论文的主要研究内容
• 1.4.2 论文研究内容的实施方案
• 第2章 双向通风窗性能的实验研究
• 2.1 实验目的
• 2.2 实验设计
• 2.3 实验对象及实验仪器
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 窗密闭不通风条件下能耗
• 2.4.2 窗通风条件下能耗
• 2.4.3 窗玻璃表面温度分布
• 2.5 本章小结
• 第3章 双向通风窗传热数学模型的建立及实验验证
• 3.1 双向通风窗数学模型建立的必要性
• 3.2 双向通风窗传热数学模型的建立
• 3.2.1 传热数学模型
• 3.2.2 传热数学模型与EnergyPlus 的耦合计算
• 3.3 双向通风窗数学模型的实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 双向通风窗的优化设计
• 4.1 双向通风窗优化设计的必要性
• 4.2 双向通风窗优化设计方法
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 影响双向通风窗性能的参数分析
• 4.2.3 正交试验设计方法
• 4.2.4 列举试验设计方法
• 4.3 双向通风窗优化设计结果
• 4.3.1 建筑模型
• 4.3.2 建筑气候分区及其气候条件
• 4.3.3 正交试验设计及参数分析
• 4.3.4 应用列举试验法分析重要参数
• 4.4 本章小结
• 第5章 双向通风窗的地区适应性研究
• 5.1 必要性
• 5.2 双向通风窗地区适应性研究方法
• 5.2.1 建筑模型
• 5.2.2 研究对象
• 5.2.3 所研究地区及其气候条件
• 5.3 双向通风窗地区适应性
• 5.3.1 中国各建筑气候区的适应性
• 5.3.2 美国各建筑气候区的适应性
• 5.4 本章小结
• 第6章 通风模式对室内空气品质影响
• 6.1 建筑室内污染物特征
• 6.2 住宅建筑现有通风模式研究
• 6.3 通风对室内空气品质影响的研究方法
• 6.3.1 室内空气品质研究方法
• 6.3.2 建筑模型及建筑参数
• 6.4 自然空气渗透对室内空气品质的影响
• 6.4.1 气象条件
• 6.4.2 中国各气候区不同季节内空气渗透的差异
• 6.4.3 美国各气候区不同季节内空气渗透的差异
• 6.5 卫生间或厨房排风机排风对室内空气品质的改善
• 6.6 送风窗通风对室内空气品质的改善
• 6.7 双向通风窗通风对室内空气品质的改善
• 6.8 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A
• A.1 双向通风窗在北京市（寒冷地区）的能耗特征
• A.2 双向通风窗在上海市（夏热冬冷地区）的能耗特征
• A.3 双向通风窗在昆明市（温和地区）的能耗特征
• 附录 B
• B.1 双向通风窗在海伦娜市（气候区6）的能耗特征
• B.2 双向通风窗在芝加哥市（气候区5）的能耗特征
• B.3 双向通风窗在塞伦市（气候区4）的能耗特征
• B.4 双向通风窗在旧金山市（气候区4）的能耗特征
• B.5 双向通风窗在菲尼克斯市（气候区2）的能耗特征
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历