重庆地区居住建筑辐射供暖非透明围护结构性能研究

摘要

预制沟槽式地面辐射供暖系统是一种较为舒适高效的供暖末端，在重庆等夏热冬冷地区应用较为广泛。在实际工程中，建筑围护结构热工设计未考虑地面辐射供暖系统分时分室的间歇运行特征，导致其在应用过程中出现响应慢、能耗大等问题。本文通过理论分析计算及数值模拟，结合重庆地区居住建筑用能模式，对外墙及内墙在采取不同保温方式及主体材料时的室内环境参数、温度响应时间及系统能耗进行计算和分析，研究与地面辐射供暖系统间歇运行相适宜的非透明围护结构性能。　　本文首先利用EnergyPlus模拟软件建立了建筑模型，并构建沟槽式地面辐射供暖系统。以此为基础，对建筑逐时负荷、不同供暖模式下的动态热负荷及房间供热能耗进行了模拟计算。接着对外墙不保温、内保温及外保温三种保温方式下的室内环境参数及辐射供暖系统性能进行模拟研究，得到最佳保温方式，并针对重庆地区9种典型外墙构造提出最佳保温层厚度。此外，针对户内隔墙，根据房间供暖系统设置情况对内墙进行分类。结合具体供暖模式，对供暖房间采取不同类型内墙的室内环境参数及系统能耗进行分析，确定不同类型内墙在辐射供暖时的较优保温方式及主体材料类型。最后对全屋供暖能耗进行了计算。　　通过对外墙特征性能研究发现：外墙采取外保温方式对维持室内环境参数稳定的作用最大。供暖起始时刻，外墙外保温、内保温及无保温方式下的室内空气温度分别为11.18℃、9.51℃及7.98℃。外墙采取内保温方式时，室内空气温度在达到设定值前的温升速率最快，在不对室温进行限制时所能达到的终温最高。在供暖初期的快速升温阶段，室内空气单位时间温升大小排序为：内保温(0.0592℃/min)＞无保温(0.0566℃/min)＞外保温(0.0508℃/min)。外墙在不同保温方式下的室温响应时间不同，且随着室温设定值的升高，内保温的优势逐渐凸显，当室温设定值超过18℃时，内保温的室温响应时间最短。在供暖系统相对稳定时，若维持室温处于某一定值，外墙采用内保温所需辐射地面提供的热量最少。综合比较外墙不同保温方式对室内环境参数及地面辐射供暖系统的影响，可以确定内保温是重庆地区居住建筑间歇供暖时外墙较为适宜的保温方式。　　通过对内墙特征性能研究发现：对相同厚度的单侧供暖内墙而言，设置内保温并使用空体材料在供暖时室内空气温度上升速率较快，所能达到的终温较高。在供暖阶段的前100min，内墙-S-1/2/3/4/5/6的室内空气单位时间温升分别为：0.0607℃/min、0.0583℃/min、0.0679℃/min、0.0608℃/min、0.0590℃/min、0.0678℃/min；在不对室温上限进行控制时，内墙-S-1/2/3/4/5/6在供暖结束时刻的室温分别为：18.89℃，19.66℃，20.89℃，19.37℃，19.95℃，21.07℃。空体内保温内墙较实体无保温内墙的主机节能率最大，为13.07%，空体无保温内墙较实体无保温内墙的主机节能率较小，为3.10%。对单侧供暖内墙而言，设置内保温、采用空体材料与地面辐射供暖系统匹配度最高；对双侧供暖内墙而言，双侧保温是改善其热工性能的最佳方式，在使用双侧保温的前提下可适当降低对内墙材料传热系数的要求。　　通过对全屋供暖能耗模拟计算表明：在室温设定值为16℃时，外墙及单侧供暖内墙设置内保温、双侧供暖内墙设置双侧保温能有效降低主机能耗，且合理设置保温方式对降低主机能耗的作用大于改变围护结构主体材料种类。供暖季内单位建筑面积主机能耗：方案三(7.74kWh·m-2)＜方案二(8.82kWh·m-2)＜方案一(9.23kWh·m-2)，方案三较方案一的主机节能率为16.13%。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 我国建筑能耗现状

1.1.2 夏热冬冷地区供暖需求

1.1.3 建筑围护结构性能改善

1.2 沟槽式地面辐射供暖介绍

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

1.5 研究方法

1.6 本章小结

2 传热理论分析

2.1 沟槽式地面辐射供暖传热模型

2.2 地板内传热过程分析

2.3 地板表面传热过程分析

2.4 墙体非稳态传热过程分析

2.4.1 基于谐波反应法的墙体传热过程

2.4.2 墙体的蓄热系数

2.4.3 墙体的热惰性指标

2.4.4 材料位置对墙体性能的影响

2.5 本章小结

3 模拟基础

3.1 EnergyPlus软件介绍

3.2 重庆地区居住建筑用能模式分析

3.3 建筑模型介绍

3.4.1 气象参数设置

3.4.2 围护结构参数设置

3.4.3 分时分室间歇用能模式设置

3.4.4 地面辐射供暖设置

3.5.1 冬季逐时设计热负荷

3.5.2 不同供暖模式累计动态热负荷分析

3.5.3 不同供暖模式系统供热需求功率分析

3.6 本章小结

4 外墙特征性能分析

4.1 保温方式对不供暖房间的影响

4.1.1 自然壁温

4.1.2 自然室温

4.2 保温方式对辐射供暖房间的影响

4.2.1 室内空气温度及操作温度

4.2.2 围护结构表面温度

4.2.3 响应时间

4.2.4 围护结构传热分析

4.2.5 间歇时间室内环境参数分析

4.2.6 关于重庆地区外墙最佳保温方式的思考

4.3 基于外墙特征性能的保温层厚度研究

4.3.1 典型外墙特征性能指标计算

4.3.2 适宜保温层厚度选取方法

4.3.3 保温层厚度选优计算分析

4.3.4 典型外墙构造保温层厚度设计参考表

4.4 本章小结

5 内墙特征性能分析

5.1.1 内墙具体分类及定义

5.1.2 拟研究单侧供暖内墙

5.1.3 拟研究双侧供暖内墙

5.2 单侧供暖内墙特征性能分析

5.2.1 室内空气温度

5.2.2 响应时间

5.2.3 热流密度

5.2.4 主卧供暖能耗分析

5.2.5 小结

5.3 双侧供暖内墙特征性能分析

5.3.1 室内空气温度

5.3.2 响应时间

5.3.3 热流密度

5.3.4 小结

5.4 全屋供暖能耗分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢