超薄轻质围护结构建筑的热环境形成机理研究

基于对救灾帐篷、活动板房、游牧帐篷的大量研究，发现这类建筑的围护结构对外扰波具有同步放大效应和内表面温度高于外表面等反常现象，这有别于常规建筑的延迟衰减和板壁传热过程。本项目在前期研究基础上，提炼超薄轻质围护结构建筑共性，对其室内热环境形成机理的基础科学问题进行深入研究。通过理论分析、数值模拟与实验手段相结合，研究超薄轻质围护结构建筑同步放大效应发生的条件、范围、强度，寻找建筑室内热环境从延迟衰减机理向同步放大效应转换的建筑围护结构临界条件；研究超薄多孔非刚性网状织物板壁传热，探讨其有别于厚重板壁传热过程的独特机理；实验研究围护结构材料的各种特性，围护设计参数对室内热环境过程的影响规律；以青藏高原气候条件为背景，阐释高海拔、强辐射、大日较差对其室内热环境同步放大效应的影响机制，进而提出改善超薄轻质围护结构建筑的恶劣室内热环境的科学方法，改善牧民和灾民的居住环境，提高救灾能力。

我国有数千万游牧民、建筑工人、受灾群众长期或经常在超薄轻质围护结构建筑中居住。本项目通过对帐篷、活动板房在不同气候条件下的大量实测对比，发现超薄轻质围护结构建筑对外扰具有放大效果，白天表现为温室效应，夜晚表现为冷室效应，与外扰几乎同步或延迟很短，且常有内表面远高于室外温度或显著低于室外温度等独特现象；进而探究了超薄轻质围护结构对外扰波同步放大效应的发生条件、范围、强度，及其从同步放大效应向衰减延迟机理过渡转换的建筑围护结构条件，首次厘清了对两种截然不同的建筑热过程表象的认识。通过对布料的微观结构观察及性能测试，发现超薄围护结构的传热过程完全有别于常规建筑，当室内温升、温降时，主导传热过程的是通过微孔的空气渗透。在草场对比实测了30余顶不同材质实际帐篷的室内热环境差异，分析了各种特性如厚度、颜色、热物性、透气性等对室内热环境的影响机理，深度发掘了帐篷围护结构设计参数与室内热环境的关联性，如几何尺寸、窗户个数、位置、面积大小、体形系数、窗围面积比等设计参数对室内热环境的影响规律，寻找有利于室内热环境的建筑各设计参数的优化设计配置关系。在发现同步放大效应的独特现象和揭示机理基础上，从几方面开展了应用研究。一是针对川西高原新型游牧帐篷，首次提出了天窗围比和侧窗围比的概念，为营造更好的通风、排烟、防热及营造健康卫生的室内环境，及从削弱帐篷的温室效应、冷室效应，增强帐篷的防热能力和保持足够良好通风角度，天窗围比控制在0.01~0.03、侧窗围比控制在0.05~0.15为宜，相关成果获得发明专利5项，并在四川藏区推广应用10万余顶，改善了游牧民生活质量。二是针对活动板房，调查了在救灾过渡安置区中存在的问题，并从两方面改善安置区域和板房室内宜居性。以CFD 技术为手段，对现有典型板房过渡安置区的规划布局进行科学优化，寻找有利于削弱小区热岛效应和增强板房室内通风换气的行列布局方法；通过板房创新设计，进一步探索改进过渡安置区域风环境和板房室内热环境的途径和方法，获得2项国家发明专利。三是针对被广泛用于体育展览、景观小品等张力膜建筑，研究了张力膜结构几何形态的组成与变化规律，理论与实验探讨了典型张力膜空间形态与其热环境的关系，并以改善热环境质量为目标，提出了张力膜建筑设计策略。项目拓展了研究内容，丰富了对传统建筑热过程的认识，成果在改善民生和防灾减灾得到了初步应用。