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亚热带建筑,热环境与节能
发表时间 2017-08-04 14:09 来源 未知
  导语:作为人类生活和日常活动的主要场所,建筑承载的不仅是文化和实用等意义,而且是社会发展和文明进步的主要标志。随着科技的进步,建筑更是在节能、环保、与自然协调发展等方面发挥了日益重要的作用,成为建筑学家和工程师们积极投身钻研的热点方向。华南理工大学“亚热带地区建筑围护结构防热节能关键技术与应用”项目组,就在建筑节能方面作出了卓有成效的探索,并收获了具有非凡意义和价值的成果。   
 
  立足民生需求 攻关前沿技术   我国的亚热带湿热地区主要覆盖于长江流域及其以南陆地范围,占到国土面积的27.1%,涉及20个省(市)份的7亿人口。高温高湿气候的影响,以及人民生活水平不断提高等刚性需求的存在,使得亚热带地区民用建筑的能耗迅猛增长,已经占到全国民用建筑能耗总量的54%。所以,开展亚热带地区建筑节能研究,是推动我国社会可持续发展的重大需求。   有鉴于此,华南理工大学与中国建筑西南设计研究院有限公司、江苏省建筑科学园有限公司、广东省建筑节能协会合作开展了“亚热带地区建筑围护结构防热节能关键技术与应用”项目的攻关。   一个世纪以来,我国亚热带地区建筑围护结构设计遵循的传统防热(遮阳、通风、隔热)理论,是在建筑无空调、仅通过围护结构的调节防止室内过热的背景下形成的。而自上世纪九十年代起,空调的普及拉动了亚热带建筑能耗的急剧增长,为此,到本世纪初,国家开始强制推行亚热带地区的建筑节能。   由于建筑室内热环境的调节方式和目标发生了根本改变,所以避免室内温度过热的传统围护结构防热技术体系,已无法满足空调控制状态下的建筑节能要求。因此,提升传统的建筑围护结构防热设计理论,探索基于空调控制状态下建筑围护结构的节能设计理论、构造技术及性能实验方法,已成为亚热带地区建筑节能的急需。因此,项目组将“围护结构节能”列为解决建筑节能的根本途径。   在此情况下,项目组成员秉承着国家需求和民生需要,努力开展了前沿技术的探索与攻关。他们指出,当我国于2001年启动亚热带地区建筑节能时,对应建筑的节能目标,已发现传统围护结构的热工性能无法满足节能要求。因此,在亚热带建筑围护结构的热工设计理论和技术领域,面临若干关键问题亟待解决:1.在围护结构蒸发降温基础理论和应用技术方面,迫切需要建立标准的实验气候分析方法,以确定建筑节能设计中的热工参数;2.在建筑遮阳节能技术基础理论与构造设计方面,需要建立基于建筑能耗的遮阳性能参数模型,提出建筑门窗玻璃的自身遮阳关键技术方法;3.在围护结构防潮理论和构造设计方面,需要研究围护结构热湿双向传递机理和构造设计方法,确定围护结构多孔材料的工程设计参数;4.在围护结构自然通风节能原理与设计方面,需要解决大尺度建筑群的风环境模拟问题,在此基础上进一步分析建筑开口设计与室内风场分布之间的相关性等。   他们的这一项目正是依托亚热带建筑科学国家重点实验室研究平台,在国家自然科学基金重点项目等12项课题的资助下,重点开展了亚热带地区建筑围护结构蒸发、遮阳、防潮、通风节能设计的基础理论、实验方法和工程应用研究,形成了建筑围护结构防热节能设计关键技术和应用的创新成果。   
 
  探索先进机制 实现成果创新   “亚热带地区建筑围护结构防热节能关键技术与应用”项目组立足于我国国情和实际发展需要,取得了一系列有突破性的创新成果。   他们的科技创新成果包括:1.建立了透明围护结构的遮阳设计参数确定方法和涂膜遮阳技术。建立了建筑外窗综合遮阳系数和外遮阳系数的计算方法;提出了建筑百叶类外遮阳系统的热过程模型;建立了遮阳构件遮阳性能的光电检测方法;研发了涂膜遮阳玻璃成形关键技术。经科技成果鉴定,本成果总体上达到国际先进水平,在复杂遮阳设计计算研究方面处于国际领先。该成果作为强制性条文已被9部国家和地方建筑节能标准所采用,在湿热地区应用面积超过7.3亿㎡。   ①定义并建立了建筑外窗综合遮阳系数和外遮阳系数的计算方法。建筑遮阳设计是采用光线几何法计算,未和建筑能耗相关联。该研究揭示了遮阳构件尺度与建筑能耗的相关性,定义了“外窗综合遮阳系数”:SW=建筑外遮阳系数(SD)×外窗遮阳系数(SC)。通过对样本的相关性分析发现了建筑外遮阳系数与遮阳构造定性尺寸的二次曲线关系,进而确定了建筑外遮阳系数的设计计算式:SD=ax²+bx+1,其中,a、b——计算系数,通过回归分析得到,不同气候区a、b值不同;x——外遮阳构造定性尺寸比。该公式可以反映外遮阳构造对建筑全年能耗的影响程度。   ②建立了建筑百叶类外遮阳系统的热过程模型。传统百叶类外遮阳光热传递机理复杂,无法量化节能效果。该研究将百叶遮阳系统等效成一层特殊的半透明体,通过建立百叶板间的直射透射、散射透射方程得到了百叶遮阳系统的遮阳性能参数,再与建筑全年能耗计算方法链接得到了建筑能耗对百叶遮阳性能的响应,解决了建筑遮阳节能设计中无法评价百叶类外遮阳构件节能效果的难题。计算了十种典型尺寸的水平和垂直百叶遮阳在不同热工分区的外遮阳系数。该成果作为强制性条文在行业标准《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》及其在广东、广西、福建和海南的实施细则以及四川省建筑节能标准中得到应用,指导设计节能建筑约7.3亿㎡。   ③建立了遮阳构件遮阳性能的光电检测方法。不规则镂空遮阳构件因其几何形状的复杂性而无法建立遮阳数学模型,该研究以光电转化原理为基础,应用硅光电池板为透光率的测量元件,分别在太阳光源和氙灯光源情况下进行光电转换实验,获得了光电转换关系,建立了测定遮阳系数的实验方法,解决了不规则遮阳构件外遮阳系数确定的难题。广东省建设厅成果鉴定结论为:“现代建筑遮阳设计方法研究”总体上达到国际先进水平,其中在复杂遮阳设计计算研究方面处于国际领先。   ④建立了建筑玻璃遮阳光谱的涂膜控制方法。揭示了玻璃遮阳隔热涂膜对可见、红外光透射性能的影响机理,当采用ATO(氧化锡锑)和CC(氧化镱)作为隔热剂时可有效遮挡太阳辐射光谱中1000nm附近的近红外辐射能量,产生了透射光谱的“塌陷区”,涂膜玻璃的遮阳系数降至0.65以下,可见光透过率在70%以上,性能优于国际同类技术,并取得了2 项发明专利。   2.建立了围护结构蒸发降温技术的设计原理和检测实验方法。包括提出并建立了围护结构被动蒸发降温技术基础理论;建立了湿热气候条件下的建筑能耗分析用逐时降雨模型;在国际上率先建成了动态热湿气候风洞实验台,从而解决了多孔建筑材料的动态热湿传递规律及关键热物性参数的工程检测方法,并通过了CMA认证。经科技成果鉴定,该成果达到国际领先水平,已被7部国家和地方建筑节能标准所采用,在亚热带地区应用面积超过6.5亿㎡。   ①建立了围护结构被动蒸发降温技术基础理论。在构建和求解建筑围护结构蒸发降温热平衡方程的基础上,得到了综合考虑蒸发、对流、辐射和导热等换热过程的广义综合温度设计参数;研究了建筑外表面贴附水膜蒸发冷却的隔热机理,建立了蓄水、流动水膜和不流动水膜三种情况屋顶的蒸发降温传热过程数学模型;研究了周期性热湿气候作用下的多孔材料热湿耦合迁移规律,建立了多孔材料被动蒸发降温热质传递的数学模型并进行了实验验证;提出了围护结构被动蒸发降温效果的综合评价指标,可合理判断蓄水屋顶、流动水膜屋顶、流动水膜墙面和流动水膜玻璃面等构造的蒸发降温效果。以围护结构蒸发冷却原理为核心,提出并确定了附加热阻值作为节能设计参数。该成果在《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》及其在华南四省的实施细则中得到应用,2003年以来,使用该标准累计设计节能建筑面积超过6.5亿㎡。   ②建立了蒸发降温建筑能耗分析用逐时降雨模型。基于实测气象数据的判断分析,建立了日降雨和逐时降雨判断方程,对模拟气象数据先按月进行日降雨判断,再按降雨日进行降雨时刻判断;采用AR(P)模型对月降雨量进行了模拟预测。   ③建立了围护结构蒸发冷却性能分析用动态热湿气候风洞实验方法。为测定围护结构蒸发降温构造的动态热工性能,采用耦合控制技术建立了气象参数可复现的动态气候风洞实验方法,获得了太阳辐射、风速、温湿度等气象参数的逐分钟模拟实验气候,对围护结构附着水膜、多孔材料层和植被层的逐时蒸发量、蒸发换热系数等性能参数进行了实验研究。复现湿热地区夏季典型日的气象环境,获得了种植屋面的附加热阻值,该成果在《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》及其在广东、广西、福建和海南的实施细则中得到应用,使用该标准累计设计节能建筑面积超过6.5亿㎡。。   3.建立了围护结构多孔材料湿平衡状态下的设计参数和防潮设计方法。包括提出并建立了建筑多孔材料平衡湿度曲线和实验方法、水蒸气扩散系数和液体水扩散系数的计算公式和自然湿度状态下热扩散系数的修正系数,以及亚热带围护结构热湿双向传递机理和保温隔热设计指标与构造方法。经科技成果验收评审,该成果总体上达到国内领先水平,取得了发明专利,已被7部国家和地方建筑节能设计标准所采用,指导设计节能建筑约2.3亿㎡。   ①提出了围护结构多孔材料湿平衡状态下的工程设计参数。建立了在热湿耦合条件下,自然湿度平衡阶段建筑围护结构多孔材料的热物性计算方法和工程设计参数,开展了不同湿度条件下围护结构多孔材料热、湿扩散系数的实验研究,确定了玻化微珠砂浆等多孔保温材料在自然湿度状态下热、湿扩散系数的计算参数和修正系数,为建筑围护结构热湿迁移计算与工程设计提供理论基础和计算参数,取得发明专利。   ②建立了围护结构热湿双向传递机理和保温隔热构造设计方法与指标。基于夏季隔热、冬季保温及过渡季节的除湿和自然通风4个因素,揭示了通风和空调条件下围护结构热湿耦合双向周期传热机理,提出了亚热带地区被动式建筑保温隔热计算方法和夏热冬冷地区围护结构热工设计指标。   4.建立了围护结构自然通风开口设计方法和节能设计指标。包括建立了建筑风环境尺度分级模拟方法;提出了建筑节能设计的"窗开启面积比"指标,并确定了该指标的工程设计取值范围。该成果作为强制性条文已被7 部国家和地方建筑节能标准所采用,在湿热地区应用面积超过6.5亿㎡。   本项目依托的国家自然科学基金重点项目“湿热地区城市微气候调节与设计”,于2010年3月通过了项目验收,评价等级为“A级”。多项成果达到国际先进水平,得到了多位专家、院士的一致好评,并已经开始被大力推广和应用。   孟庆林教授和同事们的这项成果,不仅推动了我国亚热带地区建筑节能行业的技术进步,而且创造了巨大的社会效益与经济效益。他们在科技创新和成果应用方面所做的努力,已经得到了实践证明。
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