建筑透明围护结构的热工特性研究与能耗分析

论文摘要

围护结构的透明性对于建筑具有至关重要的意义。随着建筑技术的不断发展,大面积透明材质作为围护结构在建筑中广泛采用,其简洁通透的外观给人以时代气息和技术力量的震撼。大面积透明围护在提供良好采光的同时,带来了室内舒适度降低、采暖与制冷能耗高的隐患。建筑透明围护结构通常包括建筑门窗、玻璃幕墙、玻璃采光顶等,主要是由金属构件与玻璃板组成的建筑非承重外围护结构。在这篇论文中,对建筑透明围护结构的类型及发展、建筑窗户、玻璃幕墙、玻璃采光顶的构造和热工特性进行了详细研究。从传热学理论出发,建立了单层窗户、多层玻璃封闭中空间层体系的物理传热模型和热平衡方程,采用各部分按面积加权的方法对整樘窗传热系数、太阳得热系数、可见光透过率进行了计算；建立了带遮阳百叶的呼吸式外循环玻璃幕墙的简单数学物理模型,列出其太阳辐射下的动态热平衡方程,并对通风空气间层温度场和热流量进行了计算,通过热阻网络表达了热通道内的传热过程；考虑太阳在水平面的辐射远高于其在垂直面的辐射,而玻璃采光顶与玻璃幕墙、窗户相比,由于空间角度的转换导致其在热工特性上存在差异,本文以中空上层半钢化夹层玻璃作为采光顶的代表,在对其内外表面对流传热、辐射传热及中空间层传热的分析基础上,得出了中空上层半钢化夹层玻璃采光顶的传热阻及传热系数。以玻璃采光顶、建筑窗户、玻璃幕墙为代表的建筑透明围护结构,由于通常具有开闭功能,与建筑采光、通风、防热及保温息息相关,提供了改善室内热环境、提高室内空气品质的可能性,而透明围护结构所具有的这些特点均和其热工特性紧密关联,所以,透明围护结构在节能方面具有比非透明围护结构更大的挖掘潜力。本文在理论分析及实验测试的基础上,结合窗户、玻璃幕墙、玻璃采光顶各自特点,对其建筑节能特性进行了详细分析和阐述。指出,在进行玻璃幕墙、采光屋面设计时,夏季防热是主要矛盾,冬季利用太阳能是次要矛盾,应重点考虑夏季防热。最后全文展望了透明围护结构的应用前景和发展方向,提出了“绿色生态”、“智能围护”的概念。本文力图从热工设计的角度对透明围护结构的节能特性作一较为全面的剖析,希望能对以窗户、玻璃幕墙、采光顶为代表的建筑透明围护结构的设计、施工、管理和应用提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 建筑能耗与建筑节能
• 1.1.2 建筑透明围护结构的能耗
• 1.1.3 建筑美学、建筑性能和建筑能耗的矛盾
• 1.1.4 现有研究的局限性
• 1.2 研究目的和意义
• 1.2.1 正确理解节能概念
• 1.2.2 有效执行节能相关标准
• 1.2.3 促进透明围护行业相关规范的制定和完善
• 1.2.4 推进以DSF为代表的建筑透明围护行业在国内的发展
• 1.3 研究范围与相关内涵的界定
• 1.3.1 研究范围
• 1.3.2 相关内涵
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.4.3 相关规范
• 1.5 研究方法
• 1.5.1 文献阅读
• 1.5.2 实地测试
• 1.5.3 理论分析
• 1.6 论文框架
• 1.7 本章小结
• 2 建筑透明围护结构概述
• 2.1 建筑围护结构的透明性
• 2.1.1 透明建筑材料简述
• 2.1.2 玻璃在建筑中的应用及发展
• 2.2 建筑透明围护结构的类型及发展
• 2.2.1 建筑窗户
• 2.2.2 玻璃幕墙
• 2.2.3 玻璃采光顶
• 2.3 本章小结
• 3 建筑玻璃的热工特性研究
• 3.1 建筑玻璃的种类
• 3.2 建筑玻璃的光学热物理特性
• 3.2.1 太阳辐射理论
• 3.2.2 典型玻璃系统的光学热工参数
• 3.2.3 太阳辐射对玻璃的影响
• 3.2.4 玻璃的光学热工性能
• 3.3 本章小结
• 4 窗户热工特性分析与节能优化研究
• 4.1 窗户的传热特性分析
• 4.1.1 窗户的物理传热模型及热平衡方程
• 4.1.2 多层玻璃体系封闭气体间层的传热
• 4.2 整樘窗热工性能计算
• 4.2.1 整樘窗的几何描述
• 4.2.2 整樘窗传热系数
• 4.2.3 框的传热计算
• 4.2.4 整樘窗遮阳系数
• 4.2.5 整樘窗可见光透射比
• 4.3 窗户节能优化策略
• 4.3.1 窗户的构造形式
• 4.3.2 窗户的朝向
• 4.3.3 窗户的遮阳
• 4.3.4 窗墙比
• 4.3.5 窗户气密性
• 4.4 实例测试及节能优化分析
• 4.4.1 某办公楼测试及节能优化分析
• 4.4.2 某行政楼测试及节能优化分析
• 4.5 本章小结
• 5 玻璃幕墙热工特性分析与节能优化研究
• 5.1 双层玻璃幕墙的传热特性分析
• 5.1.1 通风双层幕墙的物理传热模型
• 5.1.2 通风双层幕墙的热平衡方程
• 5.1.3 通风空气间层的温度和热流
• 5.1.4 双层通风玻璃幕墙的等效热阻
• 5.2 玻璃幕墙热工性能计算
• 5.3 玻璃幕墙节能优化策略
• 5.3.1 玻璃幕墙传热系数的控制
• 5.3.2 双层玻璃幕墙通风间层的节能
• 5.3.3 玻璃幕墙的气密性
• 5.3.4 玻璃幕墙外遮阳
• 5.3.5 玻璃幕墙智能化设计
• 5.4 实例测试及节能优化分析
• 5.5 本章小结
• 6 玻璃采光顶热工特性分析与节能优化研究
• 6.1 玻璃采光顶的传热特性分析
• 6.1.1 玻璃采光顶的物理传热模型及热平衡方程
• 6.1.2 玻璃采光顶的传热特性分析
• 6.2 玻璃采光顶节能优化策略
• 6.2.1 采光顶传热系数的控制
• 6.2.2 玻璃采光顶的构造形式
• 6.2.3 玻璃采光顶的遮阳
• 6.2.4 玻璃采光顶的通风
• 6.2.5 其它方面
• 6.3 实例测试及节能优化分析
• 6.4 本章小结
• 7 结语
• 7.1 本文结论
• 7.2 本文不足
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 图表目录
• 在读期间发表论文