建筑太阳辐射作用下围护结构的传热计算优化研究

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太阳辐射是建筑从室外获取的主要热源,对围护结构传热产生的重要影响,现阶段在建筑围护结构热工设计、采暖与空调负荷设计以及建筑能耗计算中考虑太阳辐射的影响通常是采用室外综合温度以及传热系数修正系数这两种方法进行围护结构传热计算。其中采暖区建筑采暖设计中,常用传热系数修正系数计算建筑物耗热量指标,从而权衡建筑的节能效果,但是现行规范中明确规定了采暖区主要城市的传热系数修正系数推荐值,该值对太阳辐射的考虑是在稳态传热条件下,具体环境状况的考量较为粗糙,如何提高考虑太阳辐射热在采暖计算的准确度显得尤为重要。针对上述问题,作者开展了以下研究。首先简要介绍了建筑围护结构导热、对流以及辐射三种基本传热方式,表面热转移、结构本身传热两种传热过程。同时了解太阳辐射的基本性能,重点阐述了太阳辐射在非透明围护结构以及透明围护结构中的传热影响,对室外综合温度以及传热系数修正系数两种太阳辐射作用下围护结构传热的理论计算方法进行公式推导,并详述其参数使用方法。其次以实测数据中的外表面温度和通过围护结构的热流强度为标准,比较采用室外综合温度和传热系数修正系数这两种考虑太阳辐射作用的理论方法计算出的结果,与实测数据的差异。研究发现:西安地区南向外墙采用室外综合温度以及修正系数时的外表面温度平均值分别比南向外墙实测平均温度值低2.7℃和7.7℃;昆明地区则分别低3.5℃和9.2℃。西安地区南向外墙采用室外综合温度以及修正系数时的热流强度平均值分别比南向外墙实测热流强度平均值低31%和52.7%;昆明地区则分别低50.7%和68.3%。结果分析得出在表面换热系数取定值的情况下,采用室外综合温度计算围护结构传热相较于修正系数更加接近实测值的结论,并简要分析两种理论计算结果差异性的原因。最后,通过对比室外综合温度和修正系数两者理论计算结果与实测的差异,采用非稳态传热考虑太阳辐射对围护结构的热作用,来优化采暖建筑外墙的传热系数修正系数,并对比优化前后修正系数的差异。结果表明采用优化后的传热修正系数可以减少围护结构的传热耗热量,使得采暖供热量进一步减少,有效地节约能源。不同朝向外墙传热系数修正系数推荐值对优化值有不同程度的偏差,其中南向偏差最大。与此同时将优化后的修正系数用于能耗计算以及建筑非平衡保温设计,能够有效提高太阳辐射在能耗计算以及建筑非平衡保温设计中对围护结构热作用的准确率。
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