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绵阳节能轻质砖 加气块在框架结构中的应用研究




3—混合砂浆3—混合砂浆1—水泥砂浆1—水泥砂浆

2—陶粒混凝土砌块0.83G22302—陶粒混凝土砌块

3—混合砂浆3—混合砂浆1—水泥砂浆1—水泥砂浆

2—节能页岩砌块0.84H22402—节能页岩砌块3—混合砂浆3—混合砂浆

54

0.82

1.01

1.01

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3节能轻质砖 加气块构造的选用

3.5本章小结

本章根据不同气候分区节能要求中外墙传热系数的要求,以及三种墙体自保温材料的热工参数,提出了可以满足要求的自保温节能轻质砖 加气块构造方案。由于夏热冬冷地区以及夏热冬暖地区的建筑除了要求保温以外还有隔热性能的要求,所以又对这两个地区的墙体构造进行了热惰性指标的验算。确定了各气候分区可选用的符合节能要求的框架结构轻质砖 加气块构造措施。严寒地区可选用的节能轻质砖 加气块构造为F1、F2、F3、F4、F5、F6;寒冷地区可选用的轻质砖 加气块构造为F2、F3、F5、F7;夏热冬冷地区可选用的节能轻质砖 加气块构造为G1、G2、H1、H2、E6;夏热冬暖地区可选用的节能轻质砖 加气块构造为E5、G2、H2、E6。各种轻质砖 加气块构造详见本章第四小节。最后又分别对比了严寒气候区和寒冷气候

区的公共建筑轻质砖 加气块构造方案,以及夏热冬冷和夏热冬暖气候区的公共建筑轻质砖 加气块构造方案。



4建筑的节能性分析

为了更好分析框架结构建筑中节能轻质砖 加气块在我国不同气候分区的适宜性,能够使围护结构的外墙在满足节能设计要求的前提下,对比不同构造方案的节能效果,进而来选择建筑自保温材料。本章主要是分析第三章得出的自保温轻质砖 加气块在不同气候区的节能效果,通过对不同构造形式组成的轻质砖 加气块进行对比,重点对建筑全年的热负荷、冷负荷以及室内自然温度进行比较。根据各种构造的自保温轻质砖 加气块建筑的节能效果,确定适合各气候分区的轻质砖 加气块构造。

4.1能耗分析软件介绍及选取

建筑能耗模拟作为建筑模拟中的重要一面,其发展是起始自20世纪60年代中期,

当时有部分人员利用能耗模拟软件来研究围护结构在传热方面的性能和建筑的动态负荷变化。

模拟建筑内部动态热过程的方法大致分为以下几类:反应系数法、谐波反应法、差

分法和状态空间法,其时间域、空间、边界条件、初值的选取以及特点如表4.1所示[47]。

表4.1热过程模拟方法对比

状态空间法反应系数法谐波反应法差分法

时间域直接处理拉氏变换周期差分空间差分直接处理直接处理差分边界条件积分积分周期离散

初值任意外环境在之前很长一

段时间内的值周期性函数

初始温度分布

特点

可直接求得积分形式的解;解的稳定性及误差与时间步长无关;适宜作为系统分析中的建筑模型;不能处理非线性问题
时间空间均连续;变换求根困难;可较方便地考虑房间热平衡;很难考虑建筑热平衡;不能处理非线性问题
需预先知道各扰量的全过程;计算简单;物理概念清晰;适宜用作初步分析
研究细节,非线性,必须计算每个时间步长下的温度场

当前各国范围内有着不同的能耗模拟分析软件,主要包含了美国开发的BLAST、DOE-2,欧洲地区国家开发的ESP-r,日本研发的HASP和中国研发的DsST。20世纪90年代,涌现了一批功能更加先进的能耗模拟软件,如EnergyPlus,此时模拟的重心也

开始由建模向应用模拟方法转变。全能耗模拟分析软件大致区分成五种:简化能耗分析软件、逐时能耗模拟计算引擎、通用逐时能耗模拟软件、特殊用途逐时能耗模拟软件、


4建筑的节能性分析

网上逐时能耗模拟软件[48]。

当今各国相对流行,运用也广泛的全能耗模拟软件,主要有:Energy-10、HAP、TRACE、DOE-2、BLAST、EnergyPlus、TRANSYS、ESP-r、DeST等,这些软件各有特点。下面以DOE-2和EnergyPlus为例介绍。

DOE-2由美国劳伦斯·伯克利国家实验室研发,已成为当今最详细,使用也最多的能耗动态模拟软件之一。经过30多年的演变,已经是建筑界选用最频繁的能耗模拟软件。该软件利用的是顺序模拟法,分为4个板块。DOE-2软件结合传递函数法计算建筑

围护结构的内部负荷大小,借助围护结构热量流动而造成的逐时冷、热负荷依据反应系数方法而得出。后来基于DOE-2的计算引擎,又开发出了许多新的界面,例如VisualDOE和eQUEST。

EnergyPlus是由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室一起研发的。作为一种全新的能耗模拟分析软件,其融合了DOE-2以及BLAST的众多长处,并增加了一些新功能。它自带了一个简洁的“Launch”程序,用来管理有关的文档、数据的输入和输出。

本文选用的为清华大学建筑环境与设备研究所研发出来的热环境设计模拟工具包

DeST(图4.1),它是国内一种大型的建筑能耗模拟软件[49]。

图4.1DeST软件界面

DeST软件的理论研究始于1982年,2000年的时候开发出了DeST1.0版,且通过

了验收。

与其它几种能耗模拟软件对比,DeST有以下几个特别之处:

(1)将自然室温作为连接,联系建筑物以及环境控制系统。自然室温所指的是在

建筑内部不存在采暖空调系统状况之下,由于外部气象条件以及内部所有热源共同影响而形成的空气温度。它能比较客观地显示出建筑自身的特性以及不同被动性扰动所带来的影响程度。


(2)分阶段设计,分阶段模拟。DeST在其研发时结合了现实设计过程的逐步性特征,把模拟的整个过程分成了建筑热特性分析、AHU方案分析、系统方案分析、风网模拟以及冷热源模拟[50]。

(3)理想控制的概念。DeST是利用了“理想化”的思路来解决后续过程的部件

特征以及控制效果,也就是假设后续过程的部件特征以及控制效果都可达到较理想状态,它们可以达到所有要求。

(4)图形化界面。为了简化建筑的定义,DeST软件开发了基于CAD的平台,建

筑描述可以通过平台界面实现,模型建立后的模拟计算工作在此基础之上进行。(5)通用性平台。DeST能耗模拟软件拥有良好可扩展性以及开放性。能够使其成

为建筑环境以及控制系统模拟的共用性平台,进而扩充其性能。

(6)独有的室外气象参数模型Medpha。DeST研发小组同中国气象局人员一起收集了很多数据。Medpha从中择取出有较好代表性的典型气象年份,将其设定成DeST

计算能耗的整年基础数据。

4.2建筑模型建立及参数设置

4.2.1物理模型

(1)建立建筑模型

为了便于对比,在严寒、寒冷、夏热冬冷以及夏热冬暖气候区采用框架结构办公建筑来建立模型,各气候区外墙构造不同。该办公建筑的标准层平面图如图4.2所示。



4建筑的节能性分析

利用Dest建立成的模型图如图4.3所示,在对比时,各气候区通过改变外墙的构造

而进行分析。

图4.3DeST模型图

(2)代表城市

在四个气候分区分别选取一个代表城市:沈阳、郑州、武汉、福州,各城市地理以

及气象参数如表4.2所示。

表4.2代表城市的地理气象参数

沈阳郑州武汉福州

经度123°27′113°39′115°05′118°8′纬度41°44′34°43′29°58′25°15′年采暖度小时数97736.354533.640047.818357.4年空调度小时数1637.24834.87683.47471.2冬季空调室外计算温度-20.6℃-5.7℃0.1℃4.6℃夏季空调室外计算干球温度31.4℃35.0℃35.3℃36.0

4.2.2数学模型

(1)墙体、门窗等构件的数学模型

针对由多层材料构成的构件,一般情形下若其在表面方向分布均衡,又在厚度上相对于表面长宽尺寸很小,就能够不考虑其内部在平行于表面方向的导热,而参照一维过程研究其沿厚度方向的导热[51]。此方程为



式中:t——壁体内侧温度,℃;

cr——壁体材料自身比热容,kJ/(kg·K);

r——壁体材料自身密度,kg/m3;

l——顺着厚度方向的导热系数,W/(m·K);

x——壁体材料厚度,m。

室内的边界条件为:

-l

?t

?x

x=l

=hin(ta-t)+qr+?hr,j(tj-t)+qr,in

j

(4.2)

式中:hin——壁体内表面与空气的表面传热系数,W/(m2·K);

ta——室内温度,℃;

qr,in——室内其他热源辐射传至表面的热量,W;hr,j——温度另一表面与该表面的长波辐射换热系数。