半透明混凝土围护结构性能实验研究

摘要

目前，建筑节能是大多学者关注的热点话题，相关研究表明建筑是第一大能耗主体。而建筑围护结构作为建筑的主要组成部分，已成为建筑能耗的主要影响因素。目前为了提高室内采光，采用增大窗户面积的方式，但这样会使得建筑能耗大幅度增加。为了减少建筑能耗，本文提出一种新型半透明混凝土围护结构(TCE)。　　本研究在长沙搭建实验测试平台，在实际气象参数的影响下，对半透明混凝土围护结构的热特性及采光特性进行研究。然后建立了半透明混凝土光学模型，并且选取长沙市夏季和冬季典型气象日，对单位面积半透明混凝土引入光通量与入射角及壁面倾角的变化关系进行了模拟，最后对半透明混凝土的光学模型进行全年模拟，求得长沙市及其他5个典型代表城市的最佳壁面倾角。这为预测半透明混凝土的采光性能提供了参考。　　对冬季三种典型天气条件下半透明混凝土围护结构的实验测试结果进行整理分析，关于半透明混凝土围护结构的热工特性，实验结果表明：(1)晴天时，TCE得热量、内外壁面温度随时间按先增大后减小的趋势变化，有明显的峰值。TCE外壁面温度和内壁面温度达到峰值的时间不同，从外到内延迟20分钟左右，并且温度波存在衰减。(2)多云天时，TCE得热量、内外壁面温度呈折线变化。并且内外壁面温度差比较小，一天中大多时间TCE得热量为负值，即TCE处于向室外散热的状态。(3)阴天时，TCE得热量、内外壁面温度呈折线变化。TCE内壁面温度要比外壁面温度高约2℃，TCE得热量为负值，即一天时间中TCE始终向室外散热。　　关于半透明混凝土围护结构的采光特性，实验结果表明：(1)晴天时，在12点，通过半透明混凝土围护结构进入室内地面及距地面1m处的光通量最大，分别为305.60lm和641.72lm，TCE的透过率此时也达到最大值0.020。(2)多云天时，在12点，通过半透明混凝土围护结构进入室内地面及距地面1m处的光通量在一天中最大，相比晴天其值比较小，分别只有49.50lm和71.50lm。且透过率随时间呈折线变化，出现了几个峰值，最大为0.016。(3)阴天时，在11点，通过半透明混凝土围护结构进入室内地面及距地面1m处的光通量达到最大，相比晴天和多云天其值最小，分别为34.30lm和62.07lm。且透过率随时间呈折线变化，最大为0.014。(4)三种天气条件下，在同一位置，照度与时间有着明显的对应关系，距离地面0.8m处，照度最大，可能是因为0.8m处正好位于TCE中间高度处，光线最集中。室内不同高度处照度随时间具有相似的变化关系。与晴天和多云天相比，阴天时不同高度方向室内照度值更低，不能满足一般活动要求。三种天气条件下，室内地面处水平方向照度变化比较小，照度分布较均匀。　　建立了半透明混凝土光学模型并进行了模拟研究，从模拟结果可得出：长沙地区的最佳壁面倾角为27度，深圳地区的最佳壁面倾角为26度，上海地区最佳壁面倾角为28度，兰州地区最佳壁面倾角为31度，北京地区的最佳壁面倾角为33度，哈尔滨地区最佳壁面倾角为39度。半透明混凝土的最佳壁面倾角随着当地纬度升高而增大，在纬度较高和较低的地区，最佳壁面倾角会明显偏离当地纬度值，若想达到理想的采光性能，需对最佳壁面倾角进行更精确的计算。　　本文对冬季三种典型天气条件下半透明混凝土围护结构热工特性和采光特性进行了实验研究，建立半透明混凝土光学模型，模拟分析其采光性能。研究结果为半透明混凝土围护结构系统的设计和优化提供参考。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1半透明混凝土的实验研究

1.2.2半透明混凝土的模拟研究

1.3本文研究内容

第 2 章 光纤传输的基本理论

2.1光纤的构成

2.2光纤的数值孔径

2.3光纤的光线传输

2.3.1阶跃型光纤的光线传输

2.3.2渐变型光纤的光线传输

2.4半透明混凝土中光纤的光线传输

2.5本章小结

第 3 章 TCE 实验台搭建及设计

3.1 TCE 热工特性实验系统设计

3.1.1实验台描述

3.1.2实验测试

3.1.3实验工况

3.2 TCE 采光特性实验系统设计

3.2.1研究对象

3.2.2室内空间测点布置

3.2.3实验工况

3.2.4实验数据处理

3.3本章小结

第 4 章 TCE 性能分析

4.1晴天TCE热工特性分析

4.1.1空气温度及墙体温度变化规律

4.1.2室外垂直面辐射变化规律

4.1.3室内总辐射变化规律

4.1.4 TCE 得热量变化规律

4.2多云天TCE热工特性分析

4.2.1空气温度及墙体温度变化规律

4.2.2室外垂直面辐射变化规律

4.2.3室内总辐射变化规律

4.2.4 TCE 得热量变化规律

4.3阴天TCE热工特性分析

4.3.1空气温度及墙体温度变化规律

4.3.2室外垂直面辐射变化规律

4.3.3室内总辐射变化规律

4.3.4 TCE 得热量变化规律

4.3.5不确定性分析

4.4 TCE 采光特性实验结果分析

4.4.1 地面及距地面 1 m 处光通量变化规律

4.4.2不同天气下室内高度方向照度分布

4.4.3晴天室内水平方向照度分布

4.4.4多云天室内水平方向照度分布

4.4.5阴天室内水平方向照度分布

4.5不同天气下TCE透过率分析

4.5.1晴天TCE透过率变化规律

4.5.2多云天TCE透过率变化规律

4.5.3阴天TCE透过率变化规律

4.6本章小结

第 5 章 半透明混凝土采光性能模拟

5.1半透明混凝土光学模型

5.1.1半透明混凝土概述

5.1.2裸光纤的数值模型

5.1.3半透明混凝土数值模型的假设

5.1.4总透射辐射和室内照度

5.2模型验证

5.2.1光纤透过率的验证

5.2.2照度的对比

5.3模拟计算与结果分析

5.3.1夏季典型气象日

5.3.2冬季典型气象日

5.3.3最佳壁面倾角

5.4本章小结

总结与展望

总结

本文后续工作展望

参考文献

致谢