米乐m6摘 要 建筑围护结构的传热是建筑能耗的主要部分。由于实际的传热过程是非稳态的，因 此，影响围护结构传热的性能参数不仅有传热阻，还应包括热惰性指标。本文围绕热惰 性指标对墙体传热性能的影响展开研究，为建筑节能提供一些帮助。 本文建立了外墙一维非稳态传热模型，应用拉氏变换法，对热阻相同但热惰性指标 不同的两组墙体，分别进行非稳态传热计算，分析两组墙体传热的差异,并应用FLUENT 软件对相同问题进行计算，并将数值模拟结果进行分析，通过对比分析两种算法得出的 数据，来验证计算模型的可靠性。 本文针对西安地区某栋公共建筑，根据现行的节能设计标准，选定建筑墙体结构， 应用DeST 软件对其进行建筑能耗的动态模拟，得到全年的动态冷、热负荷，研究分析 了热惰性指标对冷、热负荷的影响，并详细说明了墙体热惰性指标对减少传热的作用。 热惰性指标对促进建筑节能工作的开展，具有重要的理论意义和工程应用价值。 关键词:非稳态传热； 热惰性指标； 数值模拟； 能耗模拟与分析 i Abstract The heat transfer of the building envelope is the main part of the building energy consumption. Since the actual heat transfer process is unsteady state, therefore the impact of building envelope heat transfer performance parameters is not only the transfer thermal resistance, but also including the thermal inertia index. This paper focuses on the thermal inertia indexon the impact of the wall heat transfer performance, and provides some help for building energy efficiency. In this paper, we establish the external walls of one-dimensional unsteady heat transfer model, take full account of the difference of the wall thermal inertia, using the non-steady heat transfer in Las transformation method for unsteady heat transfer studies and comparative analysis of the difference between the results of theoretical solutions. Using FLUENT software for the simulation of the external and internal walls temperature field, and numerical simulation results were analyzed by comparative analysis of two sets of data to verify the reliability of the calculation model. This article uses DeST software dynamic simulation of the energy consumption of public buildings in Xian area of a typical energy-saving, combined with existing energy efficiency design standards set construction parameters, to simulate the dynamic cooling and heating load of the building throughout the year, the study analyzed the thermal inertia index of cold the influence of the heat and the cool load of the opposite trend,and detailed description of the role of the wall thermal inertia index to reduce heat transfer. Carried out to promote the work of building energy efficiency, the thermal inertia index has important theoretical significance and value of engineering applications. Key words: Unsteady heat transfer; thermal inertia index; Numerical simulation ; Energy simulation and analysis ii 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题的提出 1 1.1.1 建筑外围护结构非稳定传热研究目的与意义 2 1.1.2 热惰性指标的研究目的与意义 3 1.1.3 建筑外围护结构热工参数 4 1.2 课题国内外研究现状 8 1.2.1 国外研究现状 8 1.2.2 国内研究现状 8 1.3 本文研究内容与目的 10 1.3.1 本课题的研究内容 10 1.3.2 本课题的研究目的及意义 10 第二章 围护结构内表面温度理论分析 11 2.1 变换法求解板壁的不稳定传热 11 2.1.1 建筑外围护结构热过程模型 11 2.1.2 墙体非稳态传热理论计算方法概述 14 2.1.3 板壁围护结构的传递矩阵 15 2.1.4 建筑围护结构的频率响应 18 2.2 算例 18 2.2.1 西安地区南向夏季室外综合温度 18 2.2.2 房间室内计算参数 21 2.2.3 墙体构造及其物性参数 21 2.2.4 计算过程及结论分析 22 2.3 小结 30 第三章 围护结构内表面温度的数值模拟 31 3.1 FLUENT 软件介绍 31 3.1.1 FLUENT 软件特点 31 3.1.2 FLUENT 软件在暖通领域的应用 32 3.2 数值模拟 33 iii 3.2.1 FLUENT 软件在本课题中的应用33 3.2.2 模型的基本假设33 3.2.3 建立控制方程33 3.2.4 确定边界条件34 3.2.5 计算区域离散化35 3.2.6 控制方程离散化35 3.3 非稳态模型数值计算35 3.3.1 计算参数35 3.3.2 几何模型35 3.4 小结41 第四章 建筑动态能耗模拟分析42 4.1 动态能耗模拟方法42 4.2 建筑能耗模拟软件43 4.2.1 国外建筑能耗模拟软件简介43 4.2.2 国内建筑能耗模拟软件—DeST 44 4.3 西安市某公共建筑能耗模拟实例47 4.3.1 建筑模型47 4.3.2 建筑动态模拟计算参数设置50 4.3.3 建筑动态能耗模拟结果53 结论及展望60 1.结论60 2 展望61 参考文献62 致谢64 iv 长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题的提出 能源问题是当代社会面临的重大问题，已成为制约社会发展的关键，能源是生产发 展的物质基础米乐m6，任何一个国家的发展都离不开能源的支持。随着全球经济的发展，能源 消耗的数量与日俱增。从1970 年到1999 年，世界能源消耗总量从2.18 ×1017kJ 急速增 加到4.03 ×1017kJ ，增长了84.5%；预计到2020 年，能源消耗总量将达到6.40 ×1017kJ ， 约为1970 年的三倍米乐m6，比1999 年增长58.9% 。发展中国家是能源消耗增长最快的地区， 特别是发展中的亚洲和中南美洲。其中建筑能耗在社会总能耗中占有很大比例，从表1.1 中我们可以了解到一些欧美发达国家建筑能耗占社会总能耗的 30%~40%左右；建筑能 耗中，按欧美发达国家的综合统计，其中采暖、通风和空调能耗占65%，热水占15%， 照明、电视占 14%，厨房炊事占6%，也就是说建筑采暖、通风和空调能耗约占社会总 能耗的19.5%，这是一个相当大的比例。我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7%[1] 。 表1.1 欧美国家建筑能耗情况表 国家 英国 加拿大 意大利 美国 荷兰 西德 比利时 丹麦 瑞典 建筑能耗占社会总 能耗的比例% 34.3 31.8 27.4 31.9 33.9 32.8 31.8 42.4 33.9 我国从 80 年代初开始全面开展建筑节能工作，建设部节能协调组颁布了《建筑节 能“九五”计划和2010 年规划》提出了以下阶段性目标:第一阶段目标为1996 年以前新 建的采暖居住建筑，要在1980-1981 年当地通用建筑的基础上降低能耗30% ；第二阶段 目标为从1996 年以后，在满足第一阶段能耗要求的建筑基础上再降低能耗30% ；第三 阶段目标为从2005 年以后，在满足第二阶段能耗要求的建筑基础上再降低能耗30% 。 对于新建采暖公共建筑，第一阶段目标为对2000 年以前的建筑做到降低能耗50 ％，第 二阶段目标为从2010 年以后，在满足第一阶段能耗要求的基础上再降低能耗30 ％。 建筑节能是系统工程，涉及到建造和使用等环节。通过增强建筑围护结构热阻、主 动利用热压及风压自然通风、使用地源热泵技术、对空调冷冻水系统做好保温以及加强 运行管理，可再生能源的利用等措施可以节约建筑能源消耗。本文拟通过深入探 1 第一章 绪论 讨墙体热惰性指标对节能建筑负荷的影响，从一个全新的角度发掘建筑节能潜力。 建筑围护结构的传热过程受到诸多因素影响，是一个很复杂的过程。建筑围护结构 的传热包括其内外表面与周围环境的吸热、放热以及围护结构壁体的导热过程，内外壁 面与周围环境的吸热、放热过程涉及对流和辐射两种基本传热方式。围护结构外壁面受 室外空气温度和太阳辐射作用影响，它们都是随气象、气候和时间的不同而不同。因此， 通过外围护结构的传热是随时间而变化的，也就是说，围护结构的传热现象是复杂的不 [2] 稳定传热过程 。由于围护结构物热惰性的存在，室外温度对室内的影响总是有衰减和 延迟的，其衰减和延迟的大小与建筑物的热惰性指标有着密切的联系，原来笼统的认为 热阻大，墙体的保温性能好，抵抗室外综合温度影响的能力强，而热阻小的围护结构， 室内温度受室外温度影响较大。热阻仅仅是影响传热的一个方面，围护结构的热惰性对 室外温度波的衰减和延迟有很大影响，从而影响室内温度、室内环境的热舒适及冬夏两 季的负荷计算等。因此分析研究围护结构的非稳态传热和建筑围护结构的热惰性指标对 建筑节能是有现实意义的。 1.1.1 建筑外围护结构非稳定传热研究目的与意义 为了节约能源，不断提高建筑的能源利用率，改善居住热舒适环境，促进我国经济 和生态环境的协调发展，针对夏热冬冷地区建筑围护结构处于非稳态传热过程，中华人 民共和国于 2001 年制定和颁布了 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2001 ），《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》规定：该地区建筑采暖空调负荷计 算、全年能耗分析及节能性能评价，必须采用动态计算方法，即非稳态计算方法。 建筑外围护结构的传热过程包括围护结构内部的导热还包括围护结构表面与空气 间层的对流、辐射换热。其中围护结构内表面的不仅要与室内空气进行对流换热，而且 还要与室内人员、家具、电器等设备进行辐射换热，但室内温度保持相对稳定，辐射换 热部分对传热总体影响较小，可以忽略不计；围护结构外表面换热主要包括两部分，一 部分是其与室外空气进行对流换热，另一部分换热还要考虑太阳辐射对围护结构外表面 的影响，因为室外温度及太阳辐射是随季节、时间不断进行变化的，所以，这两部分换 热都必须进行考虑。由此可以看出，处于自然环境中的建筑外围护结构的热量传递情况 非常复杂，要进行非稳态传热的研究才能正确的分析围护结构的热工特性，包括其蓄热 能力、对外部温度波动的衰减和时间延迟等，在此基础上才能正确的分析室外温度对室 内温度的影响。建筑空调系统负荷中最大的一部分就是通过围护结构的传热，因此研究 2 长安大学硕士学位论文 围护结构非稳态传热可以准确的计算建筑采暖空调的冷、热负荷，研究围护结构的非稳 定传热是进行能耗分析、节能评估的理论基础，也是正确配置空调采暖设备的前提和条 件。对建筑围护结构进行非稳定传热研究，是对我国现阶段执行建筑节能标准，实现建 筑节能目标，保护环境，促进国民经济协调发展，有着重要的理论意义和社会现实意义。 1.1.2 热惰性指标的研究目的与意义 目前国家越来越重视建筑节能问题，努力控制建筑能耗，通过建筑围护结构传入室 内的热量占建筑能耗很大的一部分，所以，研究实际情况下建筑围护结构的传热过程对 减少建筑能耗非常重要。实际情况下建筑围护结构的传热过程是非稳态传热过程，全面 评价围护结构的热工性能除了围护结构总热阻外还需要考虑围护结构总热惰性指标，以 便更好地了解分析围护结构的蓄热性能、围护结构对室外温度波的总延迟时间和总衰减 倍数，得出围护结构内表面温度波的波动，准确算出通过建筑围护结构传入室内的热量， 从而可以全面准确的得出建筑能耗。如今不论是新建建筑还是改造建筑米乐m6，其能耗必须满 足 《建筑节能“九五”计划和2010 年规划》所提出的三步走要求，现在很多新型材料 的研究已经很成熟了，也已经将所研究的新型墙体材料的热物性参数及热工特性收录在 [3] 规范里，以便方便快速的研究建筑墙体是否满足节能的要求 。 在冬季供暖设计中，按照围护结构热惰性指标D 值的不同，将围护结构分成I 、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ四类，各类型围护结构的冬季室外计算温度te,c (℃) 按表1.2 确定。 表1.2 围护结构冬季室外计算温度te,c （℃） 类型 热惰性指标D te,c 的计算方法 I ＞6.0 t t e,c we,c Ⅱ 4.1～6.0 t 0.6t 0.4t e,c we,c av,min Ⅲ 1.6～4.0 t 0.3t 0.7t e,c we,c av,min Ⅳ ≦1.5 t t e,c av,min 注：①热惰性指标D 值按公式 （1.10）计算。 ②twe,c tav,min 分别为供暖室外计算温度和累年最低的一个日平均温度。 ， t ③冬季室外算温度 均取整数值。 e,c 围护结构的最小传热阻，可根据公式 （1.1）计算： 3 第一章 绪论 ti te,c n R R （1.1） o,m i n   i t t 式中： ─冬季室内计算温度，℃； 1 t ─围护结构冬季室外计算温度，℃； ec n ─温差修正系数； 2 Ri ─内表面换热阻，m ·K/W；   t ─室内空气与围护结构内表面之间的允许温差，℃。 该方法不只考虑了围护结构的热阻，还考虑到了由于围护结构热惰性指标的不同， 室外温度对室内温度的衰减和延迟存在差异，墙体的保温性能好，抵抗室外温度影响的 能力强，使用供暖室外计算温度作为室外计算温度，使得围护结构的最小传热阻减小， 从而降低围护结构的成本就能满足冬季室内热环境的要求；而保温性能差的围护结构， 室内温度受室外温度影响较大，使用供暖室外累年最低的一个日平均温度作为室外计算 温度，使得围护结构的最小传热阻增加，从而相应提高围护结构的成本才能满足冬季室 内热环境的要求。围护结构的热惰性对室外温度波的衰减和延迟有很大影响，从而影响 室内温度、室内环境的热舒适及冬夏两季的负荷计算等。所以，在进行冬季热负荷计算 时，将室外计算温度按照围护结构热惰性指标分类对建筑节能是有着现实意义的。 [3] 以西安地区为例，在文献 中查取所需计算参数如下： 表1.3 西安地区冬季室外计算温度te,c （℃） 西安地区冬季室外计算温度t （℃） ec I Ⅱ Ⅲ Ⅳ -5 -8 -10 -12 2   R 8.7 m ·K/W；t 7 ℃；t 20 ℃ i 1 将上面所列数据代入公式 （1.1）可得 表1.4 不同类型墙体最小传热阻 墙体类型 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ R 31.07 34.8 37.29 39.78 o,min 从表 1.4 中可以了解到随着墙体热惰性的增强，规范所要求的最小传热阻相应减小。 1.1.3 建筑外围护结构热工参数 4 长安大学硕士学位论文 建筑围护结构热工参数主要有：总传热阻 、总衰减倍数 、总延迟时间 、表 R0 0 0 S 面蓄热系数 、材料蓄热系数 及热惰性指标 。各指标的计算如下： Y D （1）建筑围护结构总传热阻R0 R R R R （1.2） 0 i e 2 R 式中： ─内表面换热热阻，m ·K/W； i 2 R ─外表面换热热阻，m ·K/W； e 2 R ─围护结构热阻，m ·K/W； d 对单一材料层：R （1.3）  d 式中： ─材料层厚度，m ； ─材料层计算导热系数W/(m·K) 。 d d d 1 2 n 对于组合材料层：    （1.4） R R R R 1 2 n    1 2 n 2 式中 R 、R R ─各层材料热阻，m ·K/W； 1 2 n d 、d d ─各层材料厚度，m ； 1 2 n  、  ─各层材料导热系数，W/(m·K) 。 1 2 n     F 对于多层非均质结构层：R  0  (R R )  （1.5）  m Fi i e  R   i 1 0i  2 F 式中， ─与热流方向垂直的传热面积，m ； 0 2 Fi ─按平行于热流方向划分的各个传热面积，m ； 2 R0i ─各个传热面上的总热阻，m ·K/W；  ─修正系数。 （2 ）围护结构总衰减倍数  0 围护结构外侧受到室外综合温度的波动影响，围护结构内侧室内温度保持恒 定，室外综合温度波的波幅与围护结构内表面温度波的波幅的比值称围护结构总 衰减倍数。 D (S  )(S y ) (S y )(y  )  0.9e 2 1 i 2 1 n n1 n e （1.6） 0 （S y )（S y ）(S y )  1 1 2 2 n n e 5 第一章 绪论 2 2 式中， 、 —分别为内外表面换热系数，取 8.7 W/( m ·K), 23.3 W/( m ·K)； i e i e D ─维护结构的热惰性指标； S ,S S 2 1 2 n ─由内到外各层材料的蓄热系数,W/( m ·K)； y ,y y 2 1 2 n ─由内到外各层材料外表面的蓄热系数W/( m ·K)； y k ,y k 1 ─分别为空气间层外表面和空气间层前一层材料外表面蓄热系数， 2 W/( m ·℃) 。 （3 ）围护结构总延迟时间0 围护结构外侧受到室外综合温度的波动影响，围护结构内侧室内温度保持恒 定，室外综合温度波的最大值（或最小值）出现的时间与围护结构内表面温度波 的最大值（或最小值）出现的时间的差值称围护结构总延迟时间。 1  R Y Y 0 （40.5D arctg i  arctg k Ki  arctg e ） （1.7） 15   Y 2 R Y  2 Y  2 i i k Ki e e 2 式中， 、 ─分别为内外表面换热系数，取 8.7 W/( m ·K) ，  23.3 i e i e 2 W/( m ·K)； D ─维护结构的热惰性指标； 2 Y ─围护结构外表面（亦即最后一层外表面）的蓄热系数W/( m ·K)； e 2 Y ─空气间层内表面蓄热系数W/( m ·K)； Ki 2 R ─空气间层热阻 m ·K/W 。 K （4）围护结构表面蓄热系数Y A Y q （1.8） A  2 式中， ─板壁表面热流波的振幅， W/ m ； A q A ─板壁表面温度波的振幅，℃。 从公式 （1.8 ）中可以明确看出，围护结构的表面蓄热系数的物理意义是：在周期性 的热作用下，当表面温度波的振幅为1℃时，通过围护结构表面所能传过的热流波的振 幅。因此，如果热流波的振幅一定，围护结构的表面蓄热系数越大，则表面温度波的振 幅就越小，这表明围护结构的热稳定性能好。反之，围护结构的表面蓄热系数越小，则 当热流波的振幅一定时，表面温度波的振幅就越大，围护结构的热稳定性就越差。 6 长安大学硕士学位论文 （5）材料蓄热系数S 2c S （1.9） T c 式中， ─材料的比热，kJ ／(kg·℃) ；  ─材料的密度，kg ／m3 ；  ─材料的导热系数，W ／(m ·℃) ； T ─温度波动周期，h 。 材料蓄热系数 S 可表征材料热稳定性的优劣。当某一足够厚度的材料层一侧 受到波动性热作用时米乐m6，材料表面温度也将按同一周期波动，通过材料表面的热流 波幅与材料表面温度波幅的比值表示材料蓄热能力的大小，称为材料的蓄热系数。 通俗的讲就是材料储存热量的能力，可表征材料稳定性的优劣。蓄热系数是材料 在周期性波动热作用下得出的一个物理量。 材料蓄热系数 S 与围护结构表面蓄热系数 Y 之间既有相同点也有不同点。两 者的相同点是 Y 和 S 都是与围护结构材料热物性参数和热作用的周期有关，两者 的不同点是：表面蓄热系数 Y 除了与围护结构材料热物性参数和热作用的周期有 关外，还和壁体材料层边界与空气层的换热情况有关。 (6)围护结构的热惰性指标D 围护结构热惰性指标是围护结构各层材料热阻与各层材料蓄热系数的乘积， 是一个表征围护结构对室外周期温度波在其内部衰减和时间延迟的无量纲量。热 惰性指标越大，表明温度波在其内的衰减越大，时间延迟越长，围护结构的热稳 定越强。材料层热惰性指标采用公式（1.10）（1.11）计算。 对单一材料层： 2c D R S d （1.10） T 2 式中， ─材料层热阻，m ·K/W； R S 2 ─材料层蓄热系数，W/( m ·K)。 对多层围护结构： D D D D R S R S R S （1.11） 1 2 n 1 1 2 2 n n 2 式中， R ,R R ─分别为各层材料热阻，m ·K/W； 1 2 n 2 S ,S S ─分别为各层材料蓄热系数，W/( m ·K)。 1 2 n 7 第一章 绪论 1.2 课题国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外方面在建筑热舒适及建筑节能设计方面的研究比较多，文献[4]-文献[11]主要 介绍了非稳定传热在建筑能耗模拟中的用途，其中文献[4-6]主要介绍了围护结构特性 对建筑能耗的影响,文献[7-10]对热惰性指标在核反应堆中固体冷却传热原件上进行研 究，以及全球葡萄酒行业通过研究土壤的热惰性进行酒窖温度评估以及热惰性指标对 热泵供热系统节能潜力影响的研究等，国外对热惰性指标在建筑上研究很少，其中Silvia Martín, Fernando R Mazarrón, Ignacio Cañas研究农村传统建筑内的热环境与建筑物墙体 热惰性的关系(西班牙): 具有较高的墙体热惰性的房屋再次被使用所具有的优势。参考 文献[11]对西班牙存留的传统建筑内环境优越性进行研究，研究所用传统建筑的外墙材 料为50mm厚的石头和400mm厚的土坯，新型建筑外墙材料为50mm厚的木质材料。研 究表明因为传统建筑墙体的热惰性大于新型建筑墙体，室内环境更加稳定，所以消耗 更少的能源使建筑内热环境更为舒适，提供更为舒适的温度、湿度条件。该研究为热 惰性指标在建筑围护结构上的应用提供了良好的理论指导。国外在热惰性指标对建筑 围护结构传热以及对建筑能耗影响的研究还很少，有待于进一步的研究。 1.2.2 国内研究现状 从 80 年代开始，我国对非稳态导热问题在算法研究、软件开发及工程应用方面进 行不懈努力，取得了一定的成果。在算法研究方面:对传递函数理论，围护结构墙体传 递函数和房间传递函数等问题进行了深入研究。在软件开发方面:初步建立了我国的软 件系列。2000 年，清华大学建筑学院建筑技术科学系建筑环境与备研究所综合十余年科 研成果的结晶，开发出了基于状态空间法的用于建筑热环境设计模拟分析的软件— DeST 。在工程技术方面:应用己有的科学理论和程序在冷热负荷计算、外围护结构热工 特性、外围护结构经济热阻以及建筑节能的措施和规范的制定和修改、太阳能利用问题 等方面都取得比较大的发展。 在进行冬季采暖热负荷计算时，将室外计算温度根据围护结构热惰性指标进行分 类，考虑到了由于围护结构热惰性指标的不同，室外温度对室内温度的衰减和延迟存在 差异，墙体的保温性能好，抵抗室外温度影响的能力强，使用供暖室外计算温度作为室 外计算温度就能满足冬季室内热环境的要求；而保温性能差的围护结构，室内温度受室 外温度影响较大，使用供暖室外累年最低的一个日平均温度作为室外计算温度才满足冬 8 长安大学硕士学位论文 季室内热环境的要求。围护结构的热惰性对室外温度波的衰减和延迟有很大影响，从而 影响到不同热惰性墙体的最小传热阻的计算，将围护结构冬季室外计算温度写入暖通设 计规范中，在进行冬季热负荷计算时对建筑节能有着相当大的现实意义。 文献[12-15]对新型建筑节能墙体及动态能耗模拟方法的研究比较多，也得出了很多 有意义的结论： 参考文献[12]通过 PHOENICS 软件的模拟计算结果可以看出:在目前国内外广泛采 用的外墙保温隔热技术中，采用外保温隔热时能够较大幅度地削减空调负荷的峰值，保 温层以内的墙体结构受室外空气温度和太阳辐射的影响非常小，有利于维持室内温度的 稳定，而且要比内保温隔热节约保温材料用量，节约空间，节能优势显著。同时，由于 外墙外保温隔热具有适用范围广、保护主体结构等显著优势，所以，在进行外墙的节能 设计时，应尽可能采用外保温隔热。 参考文献[13]对处于夏热冬冷地区，为了满足夏季防热和冬季保温要求，我国现有 的设计规范对建筑围护结构的控制指标可分为以下3 种： （1）围护结构内表面所能达 到的最高温度(θi·max) （2 ）建筑围护结构的总热惰性指标(D) （3 ）建筑围护结构的隔热 指数(G) 。这3 种指标完善程度也不同,文中对此进行了详细的分析和阐述，最终得出， 以隔热指数G 为围护结构隔热指标的节能标准最为恰当。 参考文献[14]通过对两种墙体传热数值计算方法的分析比较,并应用它们分析普通 粘土墙体的周期性非稳态传热,通过分析它们的计算结果,最终得出使用有限元法分析 墙体非稳态传热,更直观,更精确地反映出实际情况下的传热。并提出可以运用有限元法 来对各种墙体的传热实际情况进行模拟,并用它来指导实际操作,来生产出更具有节能 效果的砖瓦,这样就可以为生产砖块、新型墙体等相关企业节省很大一笔精力和财力,也 可以为国家节约能源。 参考文献[15]对比单块复合保温砌块和实心黏土砖的热工性能，计算采用复合保温 砌块砌筑的单片外墙和实心黏土砖墙体一个月的传热冷负荷，得出复合保温砌块的节能 性能。通过计算和实验研究得出，比起实心粘土砖的外围护结构，采用复合保温砌块的 外围护结构夏季一个月能减少消耗八万多千焦的热量，节能效率可以达到百分之三十 多。并且，复合保温砌块比起实心粘土砖有很多优势，比如说质量轻、运输成本低、工 人干活的劳动强度低、砌筑效率高还可以减少初投资等。 国内在热惰性指标对建筑围护结构传热以及对建筑能耗影响的研究还很少，有待于 进一步的研究。 9 第一章 绪论 1.3 本文研究内容与目的 1.3.1 本课题的研究内容 课题拟通过理论分析、FLUENT 动态模拟及DeST 能耗模拟对比的方法明确建筑物的 热惰性表现，其中以理论分析和模拟研究为主要手段，通过研究内壁温度随室外温度的 变化规律得出建筑物热惰性的特点。本文主要研究在夏季供冷的情况下，取西安地区典 型节能公共建筑为研究对象，确定建筑物内壁及室内温度的变化规律，以此为建筑全年 能耗动态模拟提供理论指导，分析热惰性指标对节能的现实意义，并且确定我国北方地 区气候条件下此建筑物的内壁及室内温度相对于室外温度的延迟和衰减规律，热惰性指 标对建筑节能的贡献是本课题研究的主要内容。 1.3.2 本课题的研究目的及意义 本文研究在室外条件周期性变化的情况下，围护结构的非稳态传热受围护结构热阻 和热惰性的综合影响，分析建筑围护结构热惰性指标对围护结构内壁面温度的影响，从 围护结构内壁面温度变化的规律研究热惰性指标抵抗室外非稳态环境的影响。仅只板壁 围护结构的热阻相同，而组成的材料不同时，其内表面对室外空气温度波的传热衰减倍 数存在差异：材料的蓄热系数越大，衰减倍数也越大，延迟时间也越长，室内热环境比 较稳定；材料的蓄热系数越小，衰减倍数也越小，延迟时间也越短，室内热环境相对不 稳定。由此可知，建筑围护结构热惰性指标对建筑物热舒适的影响很大。建筑围护结构 热惰性指标不同，建筑全年动态能耗也有差别，这无疑为建筑节能技术提供了一个新的 视角。 10 长安大学硕士学位论文 第二章 围护结构内表面温度理论分析 本章通过拉普拉斯积分变换法和《实用空调设计手册》中围护结构稳定性计算方法 求解西安地区夏季围护结构的不稳定传热，得到复合墙壁对室外侧正弦温度波的衰减倍 数和延迟时间，分析复合墙壁的热惰性指标对结果的影响，两种算法的结论互相验证表 明理论分析的正确性。 2.1 变换法求解板壁的不稳定传热[16] 非稳定传热问题的常用分析解法包括分离变量法、有限差分法、积分变换法和格林 函数法等。采用分离变换法可以求得墙体非稳定导热问题的解析解，而且这些解析解可 以绘制成各种形式的通用无量纲图表以备直接查用。但是，分离变量法的求解过程过于 繁琐，解的表达式形式往往过于复杂，不利于工程上的定量计算以获得准确数字结果。 用有限差分法求解墙体非稳定传热，解法简单，但是计算工作量较大，而且所求得的只 是一堆数字结果，不是表达式，不能使人们定性地看出壁体材料特性和结构特征变化对 传热的影响。无论是在建筑热工特性设计，室内热舒适研究，还是在建筑能耗分析等实 际问题中，人们关心的只是墙体两侧表面的温度变化和传热过程，其温度变化范围不大， 可以认为组成壁体的材料的导热系数值和导温系数值是常数。因此，可以应用积分变换 法来求解这一类常系数线性偏微分方程组的定解问题，通常采用积分变换中的拉普拉斯 变换方法，拉普拉斯变换法的核心就是将以导热微分方程为原函数的方程变换为以代数 方程为象函数的方程，再对代数方程进行求解，最后再将象函数进行拉氏逆变换，即可 得到导热微分方程的解。这些变换可以通过查询现成的拉普拉斯变换及逆变换表进行。 2.1.1 建筑外围护结构热过程模型 受周围环境对流、辐射等因素的影响，处于自然中的建筑外围护结构传热过程属于 非稳态热过程。根据已有的传热学知识可知如果平面板壁的宽度和高（长）度是厚度的 8 到10 倍，如果按照一维导热处理时其计算误差不超过1％；因此，建筑物外围护结构 的传热过程可简化为常物性无内热源的无限大平板的一维非稳态过程，简化模型如图 2.1 所示。 11 第二章 围护结构内表面温度理论分析 图2.1 建筑外围护结构传热过程简化模型 该模型温度场可表示为： T f (x,t) （2.1） 式中： —温度，K ； T x —围护结构厚度方向坐标，m ； t —时间，s 。 （1）建立控制方程 2 T (x ,t)  T (x ,t)  导热微分方程为：  x 2 （2.2 ）  2 式中： — 结构材料的导温系数， /( c) m /s ； ,  —结构材料的导热系数， W/m·K ； 3  —结构材料的密度，kg/m ； c —结构材料的比热，J/(kg·K) 。 （2 ）内表面边界条件 在每天 24 小时变化过程中，内表面换热处于第三类边界条件，因为室内各表面温 度基本相同，故可忽略它们之间的辐射作用，所以对内表面边界条件仅考虑对流换热作 用的影响，根据傅立叶定律得： 12 长安大学硕士学位论文 T(x ,t)     （2.3 ）   T x ,t T i x x xi i i f 式中： —内表面材料导热系数,W/m·K ；  i 2 i —内表面对流换热系数米乐m6，W/m ·K； T —室内空气温度，K 。 f （3 ）外表面边界条件 受周围环境对流、辐射等因素的影响，要确定处于自然中的建筑物围护结构的外表 面边界条件，必须要综合考虑对流及辐射的影响，下面分析围护结构的外表面的各换热 项，当综合考虑这些因素对围护结构的外表面产生影响时，围护结构外表面的热平衡关 系可用下式表示，即 qS qR qB qg q0 qca qra （2.4 ） 2 其中q S —围护结构外表面所吸收的太阳辐射热量，W/ m ,可用下式计算； q  I  I （2.5 ） S D D d d  、 —分别为围护结构外表面对太阳直射辐射和天空散射辐射的吸收率； D d 2 qR —围护结构外表面所吸收的地面反射辐射热量，W/ m ；  2  q  I   I 1cos  （2.6 ） R d R d g SH  2  I  R —与水平面呈 倾角的斜面所接受的地面反射辐射强度； I SH —地面接受的太阳总辐射强度； 2 qB —围护结构外表面所吸收的大气长波辐射热量，W/ m ； ， q  I  （2.7 ） sd B B B I —大气长波辐射强度； B ， —对应于热辐射的材料的吸收率（或辐射率）；  sd qg —围护结构所吸收的地面热辐射，可用下式表示： 4  T  q C   g  （2.8 ） g b g 100  g   T —地面温度，可近似用周围大气温度代替之； g q0 —围护结构外表面向壁体内侧传热量； 13 第二章 围护结构内表面温度理论分析 qca —围护结构外表面向周围空气进行的对流换热量；   （2.9 ） q  t t ca ca 0 a  —围护结构外表的对流换热系数； ca t ,t —分别为围护结构外表面温度和室外空气的温度； 0 a qra —围护结构外表面向周围环境进行的热辐射量。 4  T  q C   0  （2.10） ra b 0 100 在这个热平衡关系中，要着重说明一个问题，就是围护结构外表面是受对流换热和 辐射换热的综合影响。 2.1.2 墙体非稳态传热理论计算方法概述 求解围护结构的不稳定传热，求解围护结构内表面温度分度随时间的变化，就是要 求解如下导热偏微分方程:   2   t x , t x ,   （2.11）  2 , 0  x  l,  0  x     t x ,   q x ,  , 0  x  l,  0 （2. 12） x   t x,0 0 （2. 13） x  利用拉氏变换求解此方程，对空间变量 和时间变量 进行拉氏变换，把两个变量 的函数t(x,) 变换成一个变量的函数T(x,s) ，将原微分方程变换成代数方程，这样，可 以容易求得结果；然后，再利用拉氏逆变换，求得解的数学表达式。最终得出围护结构 x 任意部位 的温度变化与边界状态的关系式： s 1 s T (x ,s) ch( x)T (0,s)  sh( x)Q(0,s) （2. 14） a s a  a s s s Q(x ,s)  sh( x)T (0,s) ch( x)Q(0,s) （2. 15） a a a 从上式可知，只要知道边界条件t(0,) ，Q(0,) ，就可以通过其拉氏变换求围护结 构任意部位的温度和热流的拉式变换，再对T(x,s) 和Q(x,s) 进行拉式逆变换，就能得出 最终解。 14 长安大学硕士学位论文 2.1.3 板壁围护结构的传递矩阵 在分析计算围护结构的蓄热性能时，我们主要关心的是板壁内外两侧的热流和温度 情况，利用上式 （2.14 ）和 （2. 15）可以求得围护结构的内、外表面热流和温度的拉普 拉斯变换，即板壁热力系统的传递矩阵。 （1）单层均质板壁 T(0,s) T(l,s) 室外侧 室内侧 （输入端） （输出端） Q(0,s) Q(l,s) 0 l 单层平壁结构两侧变量 图2.2 单层平壁结构的输入输出关系  a 图2.2 描述的是导热系数为 ，导温系数为 ，板壁厚度为l 的均质单层板壁。 现已知板壁外侧边界条件的拉普拉斯变换，要求板壁内表面侧热流和温度的拉普拉 斯变换。令x l ，代入方程式（2. 14 ）和（2.15 ）组成的方程组中，结果用矩阵形 式表示，可整理为公式 （2.16 ），如下所示： T (l,s)  s  T (0,s)    sh( l)       s a       ch( a l),  s          （2. 16）    a       s s s       sh( l), ch( l)    Q(l,s)  a a a  Q(0,s) 我们将等式右侧的二阶方阵，称为板壁热力系统的传递矩阵，用 ［G ］表示，它于环 境条件的输入输出参数无关，仅与板壁的热特性指标有关，通常可写为：  A(s), B(s)   G   （2. 17）  C(s), D (s)  s 式中 A(s) D(s) ch( l) ； a 15 第二章 围护结构内表面温度理论分析 s sh( l) a B (s) ； s  a s s C(s)  sh( l ) a a 。 （2 ）包括内外表面空气间层的单层均质板壁 αa λ α αr T(0,s) T(2,s) T(l,s) T(l,s) 室外侧 室内侧 （输入端）Q(0,s) Q(2,s) （输出端） Q(l,s) Q(l,s) 0 1 2 l l 含空气边界层的单层平壁结构两侧变量 图2.3 含空气边界间层的单层平壁结构的输入输出关系 对于图2.3 所示的包括内外表面空气间层的单层均质板壁，如果将两侧空气边 界层看作是具有一定假象厚度的导热材料层，则各层边界处温度和热流的拉氏变换 之间有如下关系：  1 

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