基于空气夹层的岗亭类建筑外扰削弱方法及隔热效果研究

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随着中国疫情常态化以及高速公路的快速发展,诸如核酸采样亭、交通岗亭等岗亭类建筑大量出现在人们眼前。岗亭类建筑的围护结构主要由不锈钢板和保温层两部分组成,大部分属于外围护结构;其室内空间相对狭小,一般仅有8-15m~3。在炎热的夏季,室外的太阳辐射、大气温度、风场等外扰因素会通过外围护结构侵入到室内,造成室内温度升高,室内工作人员在高温环境下出现一系列的热致疾病,比如热射病、SBS(Sick Building Syndrome)病态建筑综合症,影响工作人员的工作质量和工作效率。为了改善岗亭类建筑的室内热环境,削弱室外多种干扰因素对室内环境的影响,本文从室外环境中的多种外扰因素对岗亭类建筑围护结构的影响权重出发。当多种外扰作用在围护结构上时,最直观的表现就是围护结构的外表面温度,本文主要考虑了室外环境中的太阳辐射强度、大气温度和风速对围护结构外表面温度的影响权重。通过全尺寸实验的方式测试了岗亭类建筑的外表面温度变化情况,最终确定了围护结构的最不利壁面——屋顶,通过多天的实验监测,结合多元线性分析方法,通过单外扰、双外扰、三外扰的线性拟合,得出了屋顶的外表面温度与室外环境中太阳辐射强度、大气温度和风速权重关系。研究发现室外的太阳辐射强度每上升100 W/m~2,屋顶外壁面温度上升3.68±0.72℃;室外气温每上升3℃,屋顶外壁面温度上升2.59±0.15℃;室外风速每上升0.5 m/s,屋顶外壁面温度下降0.40±0.36℃,其影响权重分别为55.17%、38.83%和6.00%。根据不同外扰对屋顶外表面温度的影响权重比例关系,室外环境中的太阳辐射强度对外壁面的影响权重占据了一半以上的比例。为了削弱太阳辐射的影响,通过改造屋顶的构造形式,在原来的外壁面上面增加空气夹层,空气夹层的存在能避免太阳辐射直接照射在原有的屋顶壁面上,还能缓冲和储存部分外壁面向内壁面传递的热量,降低室外环境向室内环境传递的热量。空气夹层的形式主要分为两种,一种是封闭空气夹层,本研究称其为静态呼吸墙;另一种是流动性空气夹层,本研究称其为动态呼吸墙。对于静态呼吸墙技术,本文通过全尺寸实验测试和CFD数值模拟主要研究了5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm五种厚度下的隔热效果,研究发现不同厚度下的静态呼吸墙下的隔热效果依次为Г25>Г15>Г20>Г10>Г5,隔热效果并不是随着空气夹层厚度的增加逐渐变优的。对于动态呼吸墙技术,本文自然通风的条件下,研究了5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm五种厚度下在空气夹层南北侧面开通风口的隔热效果,其隔热效果依次为Г25>Г20>Г15>Г10>Г5,不同于静态呼吸墙,动态呼吸墙技术下随着空气夹层厚度的逐渐增加其隔热效果逐渐变优。为进一步优化动态呼吸墙的隔热效果,综合隔热效果和成本经济性,在15 cm的空气夹层的基础上在东西侧面增设通风口,进而研究了1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s五种风速下的隔热效果,研究发现增加通风口后,其空气层下表面的温度得到了进一步降低;不同风速下,其隔热效果依次为Г5>Г4>Г3>Г2>Г1。当通风口的风速达到3 m/s时,其空气层下表面温度低于屋顶内壁面温度,屋顶的传热方向发生了改变,屋顶开始从室内吸收热量排到室外环境中。本文的研究结论将有助于岗亭类建筑在实际应用中,为岗亭类建筑屋顶提供改造意见。
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