寒冷地区高气密性居住建筑围护结构空气渗透量预测模型研究

摘要

空气渗透对建筑围护结构的保温性能、建筑材料整体性、围护结构内微生物的生长、空气污染物的传播、室内空气品质、建筑能耗等，都有不同程度的影响。对建筑围护结构空气渗透量的准确预测，是揭示建筑能耗、室内空气品质、热舒适、新风需求等参数间的耦合关系规律的基础。随着国内居住建筑节能技术的快速发展，城镇新建居住建筑的气密性得到了显著提高，其围护结构空气渗透特性亦随之发生改变。目前居住建筑围护结构空气渗透量快速预测模型存在输入参数量大、空气渗透特性参数难以获取、空气渗透路径分布假设与高气密性建筑实际情况不符、缺乏高气密性建筑围护结构空气渗透特性参数等问题，导致传统空气渗透量快速预测模型应用于高气密性建筑时预测效率、准确度的降低。因此，开展关于高气密性居住建筑围护结构空气渗透量快速预测模型的研究，为高气密性建筑性能的耦合分析提供理论支撑，具有重要的现实意义与学术价值。
　　首先，本研究对国内新建城镇居住建筑（节能率≥65％）围护结构的空气渗透特性进行了实测;其次，基于实测结果，提出了空气流量系数预测模型及空气渗透路径分区均一分布假设;最后，基于假设，建立了积分型建筑围护结构空气渗透量快速预测模型，并对其进行了验证。通过实验及理论研究，得主要成果如下:
　　(1)对寒冷地区新建常规能耗（9套住宅、10栋独栋别墅）与低能耗（3套住宅、1栋独栋别墅）居住建筑围护结构的气密性进行了实测。测试结果显示，被测住宅、独栋别墅在50Pa压差下的平均换气次数(ACH50)变化范围分别为1.14h-1至2.44h-1、0.84h-1至1.89h-1，绝大多数被测建筑在加压测试模式下空气渗透量较大;被测居住建筑相应空气流动特征指数变化范围为0.516至0.729，变化范围较小且分布集中。
　　(2)对被测建筑围护结构中典型空气渗透路径、低能耗建筑典型空气渗透路径所在部件空气渗透量进行了实测。测试结果显示，围护结构中空气渗透路径种类繁多、位置随机、分布范围广;除典型空气渗透路径外，围护结构中仍有大量随机分布的微小的空气渗透路径，在被测住宅与独栋别墅中，其空气渗透量占建筑围护结构总空气渗透量的比例分别为34.4％与61.1％;随着建筑围护结构气密性的提高，典型空气渗透部位渗透量逐渐减少，空气渗透路径趋向于“小型化”、“均一化”。
　　(3)以实测数据为基础，采用Spearman等级相关系数分析了空气流量系数的显著性影响因素;基于分析结果，采用多元线性回归法建立了空气流量系数预测模型，并对模型的统计学意义进行了检测，确保了回归模型的可信度。模型适用于寒冷地区钢筋混凝土框架结构的新建居住建筑（执行65％节能设计标准），可快速对其围护结构空气流量系数进行预测。
　　(4)基于被测建筑围护结构空气渗透特性实测结果，提出了适用于高气密性居住建筑的围护结构空气渗透路径分区均一分布假设:除门窗外，围护结构中的空气渗透路径数量趋于无限大，且连续均匀的分布于建筑围护结构可渗透部分;空气渗透路径在同样条件下渗透特性一致。相对于有限集中式的空气渗透路径分布假设，该无限均布式假设更符合高气密性居住建筑围护结构中空气渗透路径实际分布情况。
　　(5)依据建筑围护结构不同部位的空气渗透率，将其分为可渗透部分与不可渗透部分，其中不可渗透部分为外门窗上的玻璃，其余部分视为可渗透部分。将建筑简化为由有限个表面组成的多面体，采用定积分的思想推导了建筑任意表面的空气渗透量计算模型。
　　(6)基于上述研究，分别建立了单区域及多区域居住建筑围护结构空气渗透量预测模型，并给出了模型快速求解方法（单区域模型:分层渐进法，多区域模型:阶梯风速+牛顿迭代法）。经实验验证，模型可对高气密性居住建筑围护结构的空气渗透量进行准确的预测，预测与实验结果相对误差小于10％。该模型可考虑建筑围护结构中不可渗透部分对空气渗透量的影响，且由于采用了空气渗透路径分区均一分布假设，减少了模型的参数输入量，降低了空气渗透路径的参数获取难度。
　　本研究以被测城镇新建居住建筑围护结构空气渗透特性测试结果为基础，建立了适用于高气密性居住建筑的围护结构空气渗透量预测模型，可对城镇新建居住建筑、超低能耗及近零能耗居住建筑围护结构逐时空气渗透量进行快速准确的预测，为其性能的耦合分析提供了基础性理论支撑。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 居住建筑节能快速发展引起建筑气密性提高

1．1．2 空气渗透对建筑性能影响重大

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 居住建筑气密性实测及渗透特性分析

1．2．2 居住建筑围护结构空气渗透量预测模型

1．2．3 研究存在的问题

1．3 本文主要研究内容及思路

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究思路

2 新建居住建筑围护结构空气渗透特性实测

2．1 实测概述

2．1．1 被测建筑

2．1．2 测试方法

2．2 测试结果分析

2．2．1 环境参数

2．2．2 建筑整体气密性

2．2．3 围护结构典型空气渗透路径

2．2．4 建筑部件空气渗透量

2．3 本章小结

3 空气流量系数预测模型

3．1 空气流量系数“标准化’’

3．2 空气流量系数影响因素分析

3．3 空气流量系数预测模型的建立

3．3．1 住宅空气流量系数预测模型

3．3．2 独栋别墅空气流量系数预测模型

3．4 讨论

3．5 本章小结

4 居住建筑围护结构空气渗透量预测模型

4．1 建筑围护结构分类

4．2 单一路径空气渗透模型

4．3 空气渗透路径均一分布假设

4．4 空气渗透路径两侧压差

4．4．1 热压计算公式

4．4．2 风压计算公式

4．5 单区域模型

4．5．1 单区域模型的建立

4．5．2 单区域模型求解方法

4．6 多区域模型

4．6．1 多区域模型的建立

4．6．2 多区域模型求解方法

4．7 本章小结

5 居住建筑围护结构空气渗透量预测模型验证

5．1 验证用建筑概况

5．2 自然状态下建筑围护结构空气渗透量实测概述

5．2．1 测试方法筛选

5．2．2 示踪气体衰减法测试过程

5．2．3 示踪气体衰减法测试结果

5．3 建筑围护结构空气渗透量模拟

5．3．1 气象参数取值

5．3．2 建筑围护结构气密性实测结果

5．3．3 CONTAM软件模拟结果

5．3．4 UPFM模型预测结果

5．4 模拟与测试结果对比分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介