一种建筑围护结构热工性能综合控制方法

摘要

本发明公开了建筑围护结构热工性能综合控制方法，通过测量室内外环境的空气温度、相对湿度和太阳辐射，连同建筑围护结构热物性数据，建筑结构几何参数，汇聚后传输到中心处理器，经综合计算获得建筑围护结构的温度分布，根据计算温度分布确定控制措施。本发明克服了现行测量方法不能全面分析围护结构热工性能的问题，将影响围护结构热工性能的参数综合起来计算其温度，降低了成本，缩短了工期，而且应用灵活，既能用于已有建筑，也能用于待建建筑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑围护结构热工性能综合控制方法，具体地说是通过测量室内外环境的空气温度、相对湿度和太阳辐射，连同建筑围护结构热物性数据，建筑结构几何参数，汇聚后传输到中心处理器，经综合计算获得建筑围护结构的温度分布，通过外墙保温和窗户的内外遮阳，控制围护结构的昼夜温差不超过材料的允许温差，从而达到控制建筑围护结构热工性能的目的。

背景技术

居住建筑包括住宅、宿舍、旅馆等建筑形式，其中住宅约占居住建筑的92％。我国的住宅一直是高消费和高污染的产品，能源利用率及土地资源利用率等远远低于发达国家。特别是在经济基本建设的高速发展阶段，认真分析气候条件，考虑建筑形式和材料是否与当地气候相适应的建筑越来越少。建筑节能是空调采暖系统节能的基础，解决好建筑设计构思和节能的矛盾是设计水平的体现。平面、朝向、窗户结构和材料的确定，以及挑檐的处理，对建筑室内热环境和系统节能都起到重要的作用。在目前的居住建筑设计中仍然非常缺乏优化物理环境的措施及定量化指导方法，某些建筑的不良设计等因素，致使其基础热环境极差。

发达国家由于科学技术的进步和长期的工业文明的影响，在办公室、住宅、旅馆、医院等居住建筑中，广泛采用高气密性的空调房间。通过空调设备等人工控制手段，虽然可以使室内气候达到绝对舒适的标准，但是却导致了所谓“病态建筑”(sick Building)的产生，在这样的建筑中长期停留，人体会出“病态建筑综合症”(sick Building Syndrome)，这种情况引起了全世界广泛的关注。在尽量减少能耗和污染的条件下，提供健康、舒适、可承受的居住和工作环境就成为人们追求的目标。

当前中国经济正处于一个高速发展时期，人口仍处于增长状态，并且大量的农村人口涌入城市使城市人口的增长不断加快，越来越多的家庭渴望更高的生活标准，大空间、高标准装修及舒适的室内温度是人们对家居的追求，这使得购买空调设备似乎成了当今唯一的改善居住环境的措施和时尚。完全依靠采暖空调设备来维持室内热环境，人们长期处于稳定的室内气候下，会降低人体对气候变化的适应能力，而大多数空调房间都存在不良通风造成的室内空气品质问题，不利于人体健康。因此目前迫切需要在居住建筑设计过程中引入建筑热环境的测评，以保护居住者的身体健康，提高我国的住宅节能水平。

然而，现有的居住建筑热工性能的测评主要是对建筑各部件的热工性能进行单项测评。单项测评方法是检测居住建筑的体形系数、朝向、窗墙比；检测建筑墙体、屋面、门窗等部件的热工参数。然后逐一核对这些参数是否符合建筑热工规定，由此来评价居住建筑热工性能是否符合要求。显然，这种方法只能罗列建筑各部件的性能参数，没有建立起建筑整体性能的表征参数和测评方法，不能将各部分性能参数的有机地结合起来描述建筑围护结构的热工性能。虽然近来出现了用检测居住建筑室外干球温度和室内干球温度并折算为夏季热亲和时间、夏季热抵御时间和冬季热抵御时间，以此测评居住建筑热工性能的方法。但是，这种建成后测评的方法无法与建筑的设计方案相结合，即使分析发现问题，对已有设计的改造必然带来很大的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种针对前述现有建筑围护结构热工性能控制存在的问题，本发明提供一种建筑围护结构热工性能综合控制方法。

本发明通过测量室内外环境的空气温度、相对湿度和太阳辐射，连同建筑围护结构热物性数据，建筑结构几何参数，汇聚后传输到中心处理器，经综合计算获得建筑围护结构的温度分布，根据计算温度分布确定控制措施。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

建筑围护结构热工性能综合控制方法，包括如下步骤：

(1)用太阳辐射传感器、温度传感器和湿度传感器采集围护结构外部的太阳辐射、室外的空气温度和湿度、室内的空气温度和湿度；

(2)根据地方的经纬度和计算时节确定太阳方位，用光投影法计算建筑间或遮阳结构形成的阴影面积，进而计算围护结构外表面的辐射热流；

(3)设定初始时刻围护结构的温度，根据测量的室内外空气温度和湿度计算围护结构内外表面的对流和辐射热流；

(4)建立沿围护结构厚度的一维非稳态导热过程模型，根据步骤(3)设定的围护结构初始温度和边界热流，计算围护结构内部的温度场；

(5)重复步骤(3)和(4)计算一个时间段内各时刻，围护结构的温度；

(6)计算各部分建筑围护结构的昼夜温差，并与墙体材料的允许温差比较；

(7)对冬季昼夜温差超过材料允许温差的建筑围护结构施加外墙保温，夏季昼夜温差超过材料允许温差的建筑围护结构增加外遮阳措施。

所述的光投影法计算建筑间或遮阳结构形成的阴影面积是将所有遮阳表面沿太阳光矢量方向平行投影到围护结构外表面上，并将投影面积全部合并得到阴影面积。

所述的围护结构的初始温度设定是将计算初始时刻以前围护结构与环境的换热视为稳态传热，由此围护结构外表面的温度等于环境大气的温度，而围护结构内表面的温度等于室内空气的温度，围护结构内部的温度呈线性分布。

所述的围护结构内外表面的对流和辐射热流计算是根据初始时刻或上一时刻围护结构内外表面的温度和测量的室外环境气象参数，计算建筑围护结构内外表面的对流热流、外表面与环境大气的辐射热流、内表面间的辐射热流。

所述的墙体材料的允许温差对重质墙体材料要求允许温差不大于10℃。在温度变化10℃时发生万分之一的形变，50米高的内保温建筑受年温差形变影响内墙与外墙会发生25～40mm的形变。

所述的外墙保温为采用外墙喷涂隔热保温涂料或贴装隔热保温板，所述的遮阳措施可采用伸缩式遮阳篷或贴外墙种植藤蔓植被覆盖外墙。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)现有技术没有建立起建筑围护结构整体性能的表征参数和测评方法，不能将各部分性能参数有机地结合起来描述建筑围护结构的热工性能，本发明将室内外环境、太阳辐射、建筑结构、材料热物性都综合到围护结构的传热中考虑，得到表征其综合性能的温度，是一种更为全面的分析方法。

(2)现有的技术一般都仅限用于已有建筑热工性能的测评，本发明对不受建筑结构设计影响的环境气象参数进行测量，对建筑结构影响较大的建筑阴影和围护结构温度采用计算分析，应用更为灵活，既能用于已有建筑的测评，也能为待建建筑的结构设计提出合理建议。

附图说明

图1为建筑与热环境热交换模式简图。

图2为光投影法计算遮阳结构形成的阴影面积简图。

图3为中心处理器计算围护结构温度的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的建筑与热环境热交换模式包括太阳直射、大气辐射地面辐射等带来的热量，有对流换热、自然通风墙体导热等散热。因此，太阳辐射、室外空气温度、室外空气相对湿度，连同建筑围护结构热物性数据，建筑结构几何参数都要在建筑围护结构热工性能中考虑。在室外设置采集室外太阳辐射、空气温度和相对湿度的多个传感器A，在室内设置采集室内太阳辐射、空气温度和相对湿度的多个传感器B，传感器A和传感器B分别与单片机C连接，单片机C与中心处理器D连接，单片机C将各传感器采集的信号转化为气象参数，汇聚后传输到中心处理器。其中太阳辐射用TBQ-2A型太阳辐射传感器测量，环境温度用AD590型温度传感器测量，空气的相对湿度用THS1101型湿度传感器测量，传感器采集的信号均传输到ADuC812单片机C，处理为中心处理器D可使用的气象参数：太阳辐射强度，环境温度和相对湿度。中心处理器D根据采集的环境气象参数设定初始的围护结构温度，经计算分析得到一个昼夜时间段内的围护结构温度，比较结构的昼夜温差与材料的允许温差，若超过就发出警报，并提出相应的保温或遮阳措施，再重新计算围护结构温度，直至结构的昼夜温差不超过材料的允许温差。

如图3所示，建筑围护结构热工性能综合控制方法，包括如下步骤：

(1)用数据采集设备采集环境空气气象数据，太阳辐射用TBQ-2A型太阳辐射传感器测量，环境温度用AD590型温度传感器测量，空气的相对湿度用THS1101型湿度传感器测量，传感器采集的信号均传输到ADuC812单片机处理为中心处理器可使用的气象参数：太阳辐射强度，环境温度和相对湿度。

(2)根据经纬度和计算时节确定太阳方位，结合传感器A输出的太阳辐射强度计算外围护结构各表面的太阳辐射能量。对于地球表面上某点而言，太阳的空间位置可用太阳高度角和太阳方位角确定。，太阳方位角α是太阳至地面上某给定连线在地面上的投影与南向的夹角，太阳偏东时为负，偏西时为正。太阳高度角h是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角，可用下式计算：，式中，是当地纬度，δ是赤纬角，即地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角，计算为δ＝0.3622133-23.24763cos(W+0.1532310)-0.3362908cos(2W+0.2070998)-0.1852646cos(3W+0.6201293)

其中W＝2nπ/360，n是日期序号。ω是太阳时角，是以当地太阳位于正南向的瞬时为正午，地球自转15度为1小时计算的太阳时，通常用角度表示，计算为：$\omega =(H_s\pm \frac{L-L_s}{15}+\frac{e}{60}-12)\times 15.$其中，H_s为该地区标准时间，h；L和L_s分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度，对于东半球，“±”号取正号，对于西半球则取负号。e为时差，单位min，精确计算式为：

e＝-0.0002786409+0.1227715cos(W+1.498311)-0.1654575cos(2W-1.261546)。太阳方位-0.00535383cos(3W-1.1571)

角计算为：sinα＝cosδ·sinω/cosh，当采用上式计算出的sinα大于1，或sinα的绝对值较小时，改用下式计算

(3)用投影法计算太阳阴影，根据建筑的几何结构将所有遮阳表面沿太阳光矢量方向平行投影到窗户上，并将投影面积全部合并得到阴影面积。如图2所示，由表面2各顶点的投影点连线得到表面2的投影面，同理可得到其他表面3的投影面，多个遮挡表面在表面1上形成的阴影面积等于各投影面的并集与表面1的交集面积。用几何解析法计算表面的交集和并集较为复杂，可采用有限元法将表面1划分为大量互不重叠的小面积单元，单元的面积应远远小于表面1的面积，使得表面1的任意一个子域的面积可近似等于中心位于该子域的单元面积之和。将表面1的面元中，位于投影面内的单元面积叠加起来，叠加的结果就等于各遮挡表面在表面1上形成的阴影面积，采用有限元法可以简化交、并集的复杂计算。

(4)将初始时刻以前围护结构与环境的换热视为稳态传热，由此围护结构外表面的温度等于环境大气的温度，而围护结构内表面的温度等于室内空气的温度，围护结构内部的温度呈线性分布。计算下一时刻围护结构的温度，根据围护结构内外表面的温度和数据采集设备采集的室外环境气象参数，计算建筑围护结构内外表面的对流热流、外表面与环境大气的辐射热流、内表面间的辐射热流。对围护结构的传热，由于建筑围护结构具有热惯性大的特点，受太阳辐射及室内外空气温度的周期波动影响，围护结构的温度也随时间波动，必需采用动态模拟的方法。因围护结构的厚度远小于表面长宽尺度，可用一维导热计算围护结构的传热。围护结构及内外边界的温度随时间的变化满足：

${\left({\mathrm{\rho c}}_p\right)}_w\frac{t_{w,k}^{n+1}-t_{w,k}^n}{\mathrm{\Delta \tau }}=\lambda \frac{t_{w,k+1}^{n+1}-{2t}_{w,k}^{n+1}+t_{w,k-1}^{n+1}}{{\mathrm{\Delta x}}^2},i=\mathrm{2,3},···,N-1$

$\frac{{\left({\mathrm{\rho c}}_p\right)}_w}{2}\frac{t_{w,1}^{n+1}-t_{w,1}^n}{\mathrm{\Delta \tau }}=\lambda \frac{t_{w,2}^{n+1}-t_{w,1}^{n+1}}{\mathrm{\Delta x}}+h_i(t_a-t_{w,1}^{n+1})+q_{s,i}+q_{r,i}+s$

${\left({\mathrm{\rho c}}_p\right)}_w\frac{t_{w,N}^{n+1}-t_{w,N}^n}{\mathrm{\Delta \tau }}=\lambda \frac{t_{w,N-1}^{n+1}-t_{w,N}^{n+1}}{\mathrm{\Delta x}}+h_o(t_0-t_{w,N}^{n+1})+q_{s,o}+q_{r,o}$

式中，t_w表示围护结构的温度，Δτ是计算的时间步长，Δx是网格步长。围护结构材料热物性参数ρ是密度，c_p是比热，λ是导热系数，t_a是室内空气温度，t₀是室外空气温度，h_i和h_o是根据室内外空气相对湿度确定的对流换热系数，q_s，i是透过窗户的太阳辐射热流，q_r，i是围护结构内表面间的辐射热流，q_s，o是围护结构外表面的太阳辐射热流，q_r，o是围护结构外表面与室外空气的辐射热流。

(5)计算各部分建筑围护结构的昼夜温差，并与围护结构材料的允许温差进行比较。对冬季昼夜温差超过材料允许温差的建筑围护结构施加外墙保温，夏季昼夜温差超过材料允许温差的建筑围护结构增加外遮阳措施。外墙保温为采用外墙喷涂隔热保温涂料或贴装隔热保温板。遮阳措施可采用伸缩式遮阳篷或贴外墙种植藤蔓植被覆盖外墙。

(6)对增加了外墙保温或遮阳措施的围护结构重复步骤(3)～(5)，重新计算其昼夜温差，直至围护结构的昼夜温差不超过材料的允许温差。对重质墙体材料，允许温差不大于10℃。在温度变化10℃时发生万分之一的形变，50米高的内保温建筑受年温差形变影响内墙与外墙会发生25～40mm的形变。