严寒气候区轻型木结构的通水柱结构热工性能及结构优化研究

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木结构建筑无论是在建造过程还是在使用过程中,所产生的能耗均低于砖石结构和钢混结构的建筑,符合国家提倡的资源节约型、环境友好型的建筑方针。结合严寒气候区的气候特点和木材资源特点,因地制宜的研究开发满足绿色节能、经济性好的轻型木结构建筑,是实现现代轻型木结构建筑持续发展的有效途径。从相当于提高冬季室外空气温度、减少柱体传热温差的角度开展研究,将木结构建筑与内嵌管式技术相结合,在轻型木结构建筑中埋入盘管,利用地下水、地表水、太阳能热水等低品位能源,提升优化轻型木结构建筑的保温性能,减少严寒气候区木结构建筑对于环境营造所产生的能源消耗。本文参考相关木结构设计规范要求,结合课题组关于严寒气候区轻型木结构通水柱体的研究结果,以实现木结构柱体的内设分集水均匀布水、柱本体保温等功能为目标,初步确定了轻型木结构通水柱体的构造形式。采用模拟计算和实验验证相结合的方法对轻型木结构的通水柱体的热工性能进行研究。首先,通过对围护结构传热机理和分集水器并联管路流量分配机理进行理论分析,建立了木结构通水柱体理论模型,包括流量分配模型和传热模型。然后利用ANSYS模拟软件对所建模型进行数值分析,模拟了不同供回水流速、温度和分集水器主管管径、支管间距四种条件对分集水器并联管路流体分配特性的影响,模拟了不同通水温度、通水速度以及柱子尺寸条件下对轻型木结构通水柱体热工特性的影响。研究结果表明:(1)对于分集水器并联管路流量分配而言,入口流速越大,流体在管道内的湍流程度越强,支管与主管连接处形成的涡流作用越明显,并联管路的流量分配越不均匀;对于轻型木结构通水柱体的热工性能而言,当流速较小时,增加供水流速可以增加流体的湍流程度,加强换热,但是当流速增加到一定程度之后,水流速度太快而来不及与管壁进行换热,增加湍流程度和减小换热时间的影响相互抵消,此时流速的增加不再能使传热效果增加。(2)对于分集水器并联管路流量分配而言,供水温度对湍流程度以及流量分配均匀性的影响较小,对于轻型木结构通水柱体的热工性能而言,提高供水温度相当于减小了室内、外环境的传热温差,可以减小室内热负荷。(3)在一定流速的条件下,主管管径增大和支管间距增大,管内流体的流速相对减小,流体在管道内的湍流程度减弱,流量分配均匀性提高。(4)柱体尺寸增大后,导致所连墙体结构尺寸的差异变大,冷桥对轻型木结构通水柱体热工性能的影响增大。然后基于实验台,进行了轻型木结构通水柱体热工性能测试实验,通过实验研究分析了木结构通水柱体的传热特性,基于实验测试结果,验证了流量分配模型和传热模型的准确性,分析了轻型木结构通水柱体的经济性和优化途径。
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