濕熱氣候建筑墻體熱濕耦合傳遞動態(tài)模型與實驗研究

我國熱濕氣候地區(qū)多孔建筑墻體熱濕耦合遷移對其熱工性能、建筑能耗及室內(nèi)環(huán)境有著重要影響。本項目以多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)、以建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱濕遷移及濕積累問題為工程背景對我國南方熱濕氣候地區(qū)多層墻體的熱濕耦合遷移特性進行了系統(tǒng)的研究。利用非平衡熱力學(xué)方程，考慮墻體內(nèi)部水分蒸發(fā)冷凝等因素，建立多層墻體熱濕耦合遷移動態(tài)數(shù)學(xué)模型以及熱、濕及空氣遷移動態(tài)數(shù)學(xué)模型。在典型熱濕氣候地區(qū)長沙，搭建足尺寸構(gòu)件熱濕耦合遷移實驗臺驗證熱濕耦合遷移動態(tài)模型，吻合良好。研究了建筑中的一些熱濕遷移問題，例如，分析了太陽輻射對墻體熱濕遷移的影響，研究表明太陽輻射對墻體熱濕遷移有重要作用；通過分析解得到了墻體內(nèi)冷凝率和液態(tài)含濕量的分布曲線以及達到臨界含濕量所需的時間；對比分析了兩種不同墻體的熱濕遷移特性；分析了熱濕氣候地區(qū)濕遷移對墻體傳熱兩的影響及幾種墻體材料濕分對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。模型及實驗研究研究結(jié)果能推動我國多孔介質(zhì)墻體熱濕遷移研究，對工程中熱濕問題有著重要指導(dǎo)作用。 2100433B

我國濕熱氣候地區(qū)的建筑墻體存在著很強的熱濕耦合傳遞現(xiàn)象。墻體熱濕耦合傳遞對建筑熱工性能、建筑熱濕環(huán)境和建筑能耗有著十分重要的影響。本項目在多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞理論、能量和質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，利用非平衡熱力學(xué)方程，考慮墻體內(nèi)部水分蒸發(fā)冷凝及太陽輻射等影響因素，研究墻體內(nèi)熱濕耦合傳遞機理，建立多層墻體熱濕耦合傳遞動態(tài)數(shù)學(xué)模型；解決機理模型系數(shù)難以確定和不同材料間的邊界條件不能確定的難題；開發(fā)有效的實驗驗證測試技術(shù)，采用two-way expansion和動態(tài)邊界條件等先進數(shù)值技術(shù)，提高機理模型準確性和數(shù)值穩(wěn)定性。進而研究墻體熱濕耦合傳遞對建筑熱濕環(huán)境和建筑能耗的影響、濕熱氣候節(jié)能墻體的設(shè)計分析方法、墻體內(nèi)部冷凝狀況和墻體霉菌生長情況，為我國濕熱氣候地區(qū)的節(jié)能建筑墻體的設(shè)計，降低墻體內(nèi)部冷凝幾率，防止墻體霉菌生長提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

本課題源于當前建筑行業(yè)對于節(jié)能減排的緊迫需要，立足于我國濕熱地區(qū)的特有氣候，總結(jié)提煉傳統(tǒng)及現(xiàn)代嶺南建筑順應(yīng)氣候環(huán)境的建筑氣候空間系統(tǒng)的氣候調(diào)節(jié)價值，以此為基礎(chǔ)確定典型的氣候空間尺度模型，應(yīng)用模擬軟件檢驗其氣候適應(yīng)價值，根據(jù)實測及模擬分析結(jié)果，對尺度模型做出修正完善。研究力圖揭示濕熱地區(qū)建筑氣候空間系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣候的基本原理，重點研究空間系統(tǒng)有效尺度模型，并把研究對象拓展至建筑群體、建筑與建筑外界面氣候空間系統(tǒng)三個層級，試圖建立一套以氣候空間系統(tǒng)為核心的空間設(shè)計協(xié)同策略，主要內(nèi)容包括： ① 濕熱地區(qū)三個層級的氣候空間系統(tǒng)尺度與組合模式調(diào)研及數(shù)據(jù)化研究；②基于熱舒適性評價的濕熱地區(qū)建筑氣候空間系統(tǒng)聯(lián)動作用機制研究；③基于能耗優(yōu)化評估的夏熱冬暖地區(qū)建筑氣候空間系統(tǒng)聯(lián)動作用機制研究；④基于適應(yīng)災(zāi)害氣候條件的氣候空間系統(tǒng)聯(lián)動作用策略研究；⑤氣候空間系統(tǒng)尺度模型的多元應(yīng)用及以氣候空間系統(tǒng)為核心的空間設(shè)計協(xié)同策略研究。 研究以熱舒適性、能耗、災(zāi)害氣候適應(yīng)性等作為評價指標，深入研究了氣候空間系統(tǒng)要素間的協(xié)同作用機制，得出對建筑設(shè)計有指導(dǎo)意義的結(jié)論，為建筑設(shè)計實踐提供指引，同時又得到實際實踐的實證反饋優(yōu)化，從而構(gòu)建出一套以氣候空間系統(tǒng)為核心的空間設(shè)計協(xié)同策略。 研究的貢獻在于提出建筑“氣候空間”概念及其系統(tǒng)尺度模型的研究方法，總結(jié)了建筑群體、建筑與建筑外界面氣候空間系統(tǒng)的尺度模型規(guī)律；得到了基于熱舒適性評價與能耗優(yōu)化評估的濕熱地區(qū)建筑氣候空間系統(tǒng)聯(lián)動機制及優(yōu)化策略；此外，課題創(chuàng)新地提出城市設(shè)計方法模式、多目標協(xié)同定性定量與正交實驗等研究應(yīng)用方法，既為多因素影響下的氣候空間系統(tǒng)尺度模型的研究與應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，也為類似的研究和應(yīng)用提供借鑒。 2100433B

課題立足于我國濕熱地區(qū)氣候，總結(jié)提煉傳統(tǒng)及現(xiàn)代嶺南建筑順應(yīng)氣候的建筑空間的氣候調(diào)節(jié)價值，以此為基礎(chǔ)確定典型的空間尺度模型，根據(jù)實證及模擬分析結(jié)果，揭示濕熱地區(qū)建筑空間調(diào)節(jié)氣候的基本原理。通過尺度模型在濕熱地區(qū)建筑設(shè)計中的應(yīng)用論證，建立一套適用于濕熱地區(qū)建筑的空間節(jié)能設(shè)計模式語言，并通過運用和推廣指導(dǎo)綠色建筑空間設(shè)計工作。 研究按照計劃分別進行了嶺南傳統(tǒng)及現(xiàn)代建筑空間的普查與數(shù)據(jù)化處理，分別對廣州城市民居的天井、近代城市建筑的外廊（含騎樓），現(xiàn)代建筑遮陽防熱空間等空間類型進行資料收集，確定了復(fù)合表皮空間、冷巷空間、天井空間、外廊空間、非對稱大空間為空間尺度模型的重點分析內(nèi)容。結(jié)合空間光/熱/通風模擬與實測對空間模型尺度進行分析，結(jié)合多種軟件優(yōu)化比對的方法，確定了空間合理尺度模型。將研究成果的典型尺度模型與實際項目設(shè)計效果進行比對，通過應(yīng)用分析，論證尺度模型的價值。通過案例應(yīng)用，取得了具有說服力的結(jié)論。 主要研究結(jié)論體現(xiàn)為：1）創(chuàng)新性提出建筑設(shè)計氣候調(diào)節(jié)空0間尺度研究的理論價值與方法研究，提出建筑空間設(shè)計從“形式管理”走向“能量管理”的觀點，以此為基點確定建筑空間研究的定性分析和定量評價；2）完成濕熱地區(qū)復(fù)合表皮空間尺度的分析研究，確定水平遮陽與垂直遮陽組合的遮陽模式，與700~800×4000mm外表皮空間組合的表皮空間尺度模式，并對光伏一體化復(fù)合表皮空間模式與尺度進行分析；3）完成濕熱地區(qū)外廊空間尺度模型研究，確定了建筑南向外廊層高采用3.0~3.5x4米的合理尺度模型；4）初步完成天井空間尺度模型研究，對竹筒屋天井采用結(jié)合通風、采光、防熱綜合性能分析的優(yōu)選比照，采用3x3x8（H）米的天井尺度范圍能夠滿足良好的建筑內(nèi)部環(huán)境舒適性效果；5）完成濕熱氣候建筑大空間設(shè)計的非對稱形態(tài)研究。 項目研究與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等專家進行合作合作交流。團隊發(fā)表論文8篇（其中期刊論文5篇，會議論文3篇，其中EI收錄5篇），研究指導(dǎo)碩士研究生完成碩士畢業(yè)論文11篇（其中標注6篇）；研究成果應(yīng)用于綠色建筑設(shè)計，取得多項建筑設(shè)計獎項。項目團隊（肖毅強、王靜、李晉）及研究成果指導(dǎo)2013年中國國際太陽能競賽華南理工大學(xué)隊項目，表現(xiàn)優(yōu)異，代表隊獲得總分亞軍。項目成員王靜老師在課題支持下，2012年入選教育部新世紀人才計劃等。 研究正進一步細化和完善，并繼續(xù)發(fā)表和論著出 2100433B

課題立足于我國濕熱地區(qū)的特有氣候，總結(jié)提煉傳統(tǒng)嶺南建筑順應(yīng)氣候的思想，以此為基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)字化的空間尺度模型，應(yīng)用模擬軟件檢驗?zāi)芰吭谄渲械牧鲃舆^程，根據(jù)反饋結(jié)果修正完善。研究力圖揭示濕熱地區(qū)建筑空間調(diào)節(jié)氣候的基本原理，并通過尺度模型在濕熱地區(qū)建筑宏觀、中觀與微觀各個層面中的多元應(yīng)用，最終建立一套適用于濕熱地區(qū)建筑的空間節(jié)能設(shè)計模式語言。.研究基于當前建筑業(yè)綠色節(jié)能和低碳減排的迫切需求，對嶺南傳統(tǒng)建筑適應(yīng)氣候方式進行創(chuàng)新性繼承而展開的濕熱環(huán)境建筑空間研究，不僅能優(yōu)化濕熱地區(qū)建筑的環(huán)境性能，提升綠色品質(zhì)，還充分挖掘了建筑空間自身的節(jié)能潛力，確立當代科學(xué)的建筑空間價值觀念，實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計的最佳平衡，為建筑學(xué)科的發(fā)展提供了廣闊空間。