建筑围护结构热辐射特性对建筑能耗与热舒适度影响的理论与实验研究

The thermal radiation characteristics of building envelopes are of a source influence on building thermal performance and energy efficiency. In this project, the impact of thermal radiation characteristics on building energy consumption and thermal comfort is proposed in both theoretical and experimental methods. By using numerical calculations and experimental verification methods combined, we could dynamically simulate the effects of envelopes thermal radiation properties, including absorptivity within visible spectrum and infrared spectrum, long wave thermal emissivity, transmittance within visible spectrum and infrared spectrum, on room heating /air-conditioning load and indoor thermal comfort; and then build quantitative criteria relationship. We could credibly give the ideal values adapted to different climatic zones of the key parameters of thermal insulation coatings or thermochromic films. We could also take the actual values of those parameters of real materials into calculations, and give the appropriate evaluation in energy saving potential, so as to provide the theoretical and experimental basis for material designing of special thermal insulation architectural coatings and glass special curtain coatings/films and the basis of evaluating their energy-saving potential. At the same time, it also will provide a new and effective way to solve the energy-saving renovation of existing buildings at low-costs and to design new energy-efficient buildings.

围护结构的热辐射特性对建筑热性能和节能性具有源头性影响。本项目提出从理论分析、数值计算及实验验证三方面研究建筑围护结构热辐射特性对建筑能耗及热舒适度的影响，采用数值计算与实验验证相结合的方法，动态模拟建筑围护结构热辐射性质——包括可见光谱吸收率、红外光谱吸收率、长波热发射率、可见光谱透过率、红外光谱透过率等关键参数，对房间采暖/空调负荷、日需热/冷量、室内热舒适度的影响，并建立相应的准则关系式；可信地给出热致变色薄膜和隔热涂料这两种节能材料的关键参数与不同气候类型区相适应的理想值，并针对现实材料的实际参数值作对比计算，给出相应的节能潜力，从而为建筑特种涂料和玻璃幕墙镀膜/贴膜的材料设计以及评估其节能潜力提供理论计算依据和实验基础。同时，也为既有建筑的低成本节能改造和新建建筑的节能设计提供一条新的有效解决途径。

建筑能耗在社会总能源消耗中占有举足轻重的地位，其比例通常在30—40％之间。我国空调/采暖的能耗占建筑总运行能耗的55％以上，建筑围护结构的热性能对该部分能耗具有决定性作用。与同等气候条件的先进节能国家相比，我国单位面积建筑能耗要高出2~3倍，建筑节能潜力巨大。建筑节能的关键在于提升围护结构的热性能，以便于调控建筑综合蓄/放热特性。建筑围护结构围护结构可区分为透明和不透明两部分：前者如建筑的窗户，后者如墙体、屋顶、地板等。本项目重点研究了夏热冬暖地区围护结构热辐射特性对建筑能耗及热舒适度的影响，夏热冬冷地区局部铺设热水盘管的房间热舒适度影响因素，以及热致变色VO2薄膜关键参数的计算，取得了预期的结果。研究发现：1、对于夏热冬暖地区，选取影响建筑内部热舒适度的关键参数——南向窗墙比和南向窗户所安装的窗户类型，分析它们对室内温度、温差的影响。研究结果表明，室内年平均温度、各段时间平均温度以及室温年极差，旬极差，日极差均随南向窗墙比的增大而增大。处在温度适宜区间的总小时数随南向窗墙比的增大而递减，平均期望满意度（predicted mean vote， PMV）在热舒适区间的时间也总体上随窗墙比增大而减小。考虑到室内节能、采光等因素，确定在广州这样的夏热冬暖地区，最佳南向窗墙比在24%左右，最佳窗户类型为三层玻璃窗户。2、对于夏热冬冷地区，提出了局部铺设热水盘管辐射墙体的构想，计算了非稳态不同参数下的墙体表面温度、墙体表面热流密度，并和全部铺设热水盘管辐射墙体做了对比分析。结果表明：在满足人体热舒适的前提下, 局部铺设热水盘管墙体所需最低室内设计温度为21.4℃，整面墙铺满盘管所需最低室内设计温度为21.3℃，两者仅差0.1℃。局部铺设相对于整面铺设可大量节约材料，并在保持人体热舒适的前提下有效节能。3、针对热致变色VO2薄膜关键参数的计算研究方面，给出了VO2薄膜四种典型厚度200nm、150nm、100nm和50nm对应的相变前后的可见光谱和近红外光谱的透过率，以及透过率调节的潜在能力大小，发现50nm的VO2薄膜在热致变色方面的调节能力最大，可达0.28.