標簽： 防熱
“亞熱帶地區建筑圍護結構防熱節能關鍵技術與應用”取得突破性成果
作為人類生活和日?；顒拥闹饕獔鏊?，建筑承載的不僅是文化和實用等意義，而且是社會發展和文明進步的主要標志。隨著科技的進步，建筑更是在節能、環保、與自然協調發展等方面發揮了日益重要的作用，成為建筑學家和工程師們積極投身鉆研的熱點方向。華南理工大學“亞熱帶地區建筑圍護結構防熱節能關鍵技術與應用”項目組，就在建筑節能方面作出了卓有成效的探索，并收獲了具有非凡意義和價值的成果。 立足民生需求 攻關前沿技術 我國的亞熱帶濕熱地區主要覆蓋于長江流域及其以南陸地范圍，占到國土面積的27.1%，涉及20個省(市)份的7億人口。高溫高濕氣候的影響，以及人民生活水平不斷提高等剛性需求的存在，使得亞熱帶地區民用建筑的能耗迅猛增長，已經占到全國民用建筑能耗總量的54%。所以，開展亞熱帶地區建筑節能研究，是推動我國社會可持續發展的重大需求。 有鑒于此，華南理工大學與中國建筑西南設計研究院有限公司、江蘇省建筑科學園有限公司、廣東省建筑節能協會合作開展了“亞熱帶地區建筑圍護結構防熱節能關鍵技術與應用”項目的攻關。 一個世紀以來，我國亞熱帶地區建筑圍護結構設計遵循的傳統防熱(遮陽、通風、隔熱)理論，是在建筑無空調、僅通過圍護結構的調節防止室內過熱的背景下形成的。而自上世紀九十年代起，空調的普及拉動了亞熱帶建筑能耗的急劇增長，為此，到本世紀初，國家開始強制推行亞熱帶地區的建筑節能。 由于建筑室內熱環境的調節方式和目標發生了根本改變，所以避免室內溫度過熱的傳統圍護結構防熱技術體系，已無法滿足空調控制狀態下的建筑節能要求。因此，提升傳統的建筑圍護結構防熱設計理論，探索基于空調控制狀態下建筑圍護結構的節能設計理論、構造技術及性能實驗方法，已成為亞熱帶地區建筑節能的急需。因此，項目組將“圍護結構節能”列為解決建筑節能的根本途徑。 在此情況下，項目組成員秉承著國家需求和民生需要，努力開展了前沿技術的探索與攻關。他們指出，當我國于2001年啟動亞熱帶地區建筑節能時，對應建筑的節能目標，已發現傳統圍護結構的熱工性能無法滿足節能要求。因此，在亞熱帶建筑圍護結構的熱工設計理論和技術領域，面臨若干關鍵問題亟待解決：1.在圍護結構蒸發降溫基礎理論和應用技術方面，迫切需要建立標準的實驗氣候分析方法，以確定建筑節能設計中的熱工參數;2.在建筑遮陽節能技術基礎理論與構造設計方面，需要建立基于建筑能耗的遮陽性能參數模型，提出建筑門窗玻璃的自身遮陽關鍵技術方法;3.在圍護結構防潮理論和構造設計方面，需要研究圍護結構熱濕雙向傳遞機理和構造設計方法，確定圍護結構多孔材料的工程設計參數;4.在圍護結構自然通風節能原理與設計方面，需要解決大尺度建筑群的風環境模擬問題，在此基礎上進一步分析建筑開口設計與室內風場分布之間的相關性等。 他們的這一項目正是依托亞熱帶建筑科學國家重點實驗室研究平臺，在國家自然科學基金重點項目等12項課題的資助下，重點開展了亞熱帶地區建筑圍護結構蒸發、遮陽、防潮、通風節能設計的基礎理論、實驗方法和工程應用研究，形成了建筑圍護結構防熱節能設計關鍵技術和應用的創新成果。 探索先進機制 實現成果創新 “亞熱帶地區建筑圍護結構防熱節能關鍵技術與應用”項目組立足于我國國情和實際發展需要，取得了一系列有突破性的創新成果。 他們的科技創新成果包括： 1、建立了透明圍護結構的遮陽設計參數確定方法和涂膜遮陽技術。建立了建筑外窗綜合遮陽系數和外遮陽系數的計算方法;提出了建筑百葉類外遮陽系統的熱過程模型;建立了遮陽構件遮陽性能的光電檢測方法;研發了涂膜遮陽玻璃成形關鍵技術。經科技成果鑒定，本成果總體上達到國際先進水平，在復雜遮陽設計計算研究方面處于國際領先。該成果作為強制性條文已被9部國家和地方建筑節能標準所采用，在濕熱地區應用面積超過7.3億㎡。 (1)定義并建立了建筑外窗綜合遮陽系數和外遮陽系數的計算方法。建筑遮陽設計是采用光線幾何法計算，未和建筑能耗相關聯。該研究揭示了遮陽構件尺度與建筑能耗的相關性，定義了“外窗綜合遮陽系數”：SW=建筑外遮陽系數(SD)×外窗遮陽系數(SC)。通過對樣本的相關性分析發現了建筑外遮陽系數與遮陽構造定性尺寸的二次曲線關系，進而確定了建筑外遮陽系數的設計計算式：SD=ax²+bx+1，其中，a、b——計算系數，通過回歸分析得到，不同氣候區a、b值不同;x——外遮陽構造定性尺寸比。該公式可以反映外遮陽構造對建筑全年能耗的影響程度。 (2)建立了建筑百葉類外遮陽系統的熱過程模型。傳統百葉類外遮陽光熱傳遞機理復雜，無法量化節能效果。該研究將百葉遮陽系統等效成一層特殊的半透明體，通過建立百葉板間的直射透射、散射透射方程得到了百葉遮陽系統的遮陽性能參數，再與建筑全年能耗計算方法鏈接得到了建筑能耗對百葉遮陽性能的響應，解決了建筑遮陽節能設計中無法評價百葉類外遮陽構件節能效果的難題。計算了十種典型尺寸的水平和垂直百葉遮陽在不同熱工分區的外遮陽系數。該成果作為強制性條文在行業標準《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》及其在廣東、廣西、福建和海南的實施細則以及四川省建筑節能標準中得到應用，指導設計節能建筑約7.3億㎡。 (3)建立了遮陽構件遮陽性能的光電檢測方法。不規則鏤空遮陽構件因其幾何形狀的復雜性而無法建立遮陽數學模型，該研究以光電轉化原理為基礎，應用硅光電池板為透光率的測量元件，分別在太陽光源和氙燈光源情況下進行光電轉換實驗，獲得了光電轉換關系，建立了測定遮陽系數的實驗方法，解決了不規則遮陽構件外遮陽系數確定的難題。廣東省建設廳成果鑒定結論為：“現代建筑遮陽設計方法研究”總體上達到國際先進水平，其中在復雜遮陽設計計算研究方面處于國際領先。 (4)建立了建筑玻璃遮陽光譜的涂膜控制方法。揭示了玻璃遮陽隔熱涂膜對可見、紅外光透射性能的影響機理，當采用ATO(氧化錫銻)和CC(氧化鐿)作為隔熱劑時可有效遮擋太陽輻射光譜中1000nm附近的近紅外輻射能量，產生了透射光譜的“塌陷區”，涂膜玻璃的遮陽系數降至0.65以下，可見光透過率在70%以上，性能優于國際同類技術，并取得了2項發明專利。 2、建立了圍護結構蒸發降溫技術的設計原理和檢測實驗方法。包括提出并建立了圍護結構被動蒸發降溫技術基礎理論;建立了濕熱氣候條件下的建筑能耗分析用逐時降雨模型;在國際上率先建成了動態熱濕氣候風洞實驗臺，從而解決了多孔建筑材料的動態熱濕傳遞規律及關鍵熱物性參數的工程檢測方法，并通過了CMA認證。經科技成果鑒定，該成果達到國際領先水平，已被7部國家和地方建筑節能標準所采用，在亞熱帶地區應用面積超過6.5億㎡。 (1)建立了圍護結構被動蒸發降溫技術基礎理論。在構建和求解建筑圍護結構蒸發降溫熱平衡方程的基礎上，得到了綜合考慮蒸發、對流、輻射和導熱等換熱過程的廣義綜合溫度設計參數;研究了建筑外表面貼附水膜蒸發冷卻的隔熱機理，建立了蓄水、流動水膜和不流動水膜三種情況屋頂的蒸發降溫傳熱過程數學模型;研究了周期性熱濕氣候作用下的多孔材料熱濕耦合遷移規律，建立了多孔材料被動蒸發降溫熱質傳遞的數學模型并進行了實驗驗證;提出了圍護結構被動蒸發降溫效果的綜合評價指標，可合理判斷蓄水屋頂、流動水膜屋頂、流動水膜墻面和流動水膜玻璃面等構造的蒸發降溫效果。以圍護結構蒸發冷卻原理為核心，提出并確定了附加熱阻值作為節能設計參數。該成果在《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》及其在華南四省的實施細則中得到應用，2003年以來，使用該標準累計設計節能建筑面積超過6.5億㎡。 (2)建立了蒸發降溫建筑能耗分析用逐時降雨模型?；趯崪y氣象數據的判斷分析，建立了日降雨和逐時降雨判斷方程，對模擬氣象數據先按月進行日降雨判斷，再按降雨日進行降雨時刻判斷;采用AR(P)模型對月降雨量進行了模擬預測。 (3)建立了圍護結構蒸發冷卻性能分析用動態熱濕氣候風洞實驗方法。為測定圍護結構蒸發降溫構造的動態熱工性能，采用耦合控制技術建立了氣象參數可復現的動態氣候風洞實驗方法，獲得了太陽輻射、風速、溫濕度等氣象參數的逐分鐘模擬實驗氣候，對圍護結構附著水膜、多孔材料層和植被層的逐時蒸發量、蒸發換熱系數等性能參數進行了實驗研究。復現濕熱地區夏季典型日的氣象環境，獲得了種植屋面的附加熱阻值，該成果在《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》及其在廣東、廣西、福建和海南的實施細則中得到應用，使用該標準累計設計節能建筑面積超過6.5億㎡。。 3、建立了圍護結構多孔材料濕平衡狀態下的設計參數和防潮設計方法。包括提出并建立了建筑多孔材料平衡濕度曲線和實驗方法、水蒸氣擴散系數和液體水擴散系數的計算公式和自然濕度狀態下熱擴散系數的修正系數，以及亞熱帶圍護結構熱濕雙向傳遞機理和保溫隔熱設計指標與構造方法。經科技成果驗收評審，該成果總體上達到國內領先水平，取得了發明專利，已被7部國家和地方建筑節能設計標準所采用，指導設計節能建筑約2.3億㎡。 (1)提出了圍護結構多孔材料濕平衡狀態下的工程設計參數。建立了在熱濕耦合條件下，自然濕度平衡階段建筑圍護結構多孔材料的熱物性計算方法和工程設計參數，開展了不同濕度條件下圍護結構多孔材料熱、濕擴散系數的實驗研究，確定了?；⒅樯皾{等多孔保溫材料在自然濕度狀態下熱、濕擴散系數的計算參數和修正系數，為建筑圍護結構熱濕遷移計算與工程設計提供理論基礎和計算參數，取得發明專利。 (2)建立了圍護結構熱濕雙向傳遞機理和保溫隔熱構造設計方法與指標?；谙募靖魺?、冬季保溫及過渡季節的除濕和自然通風4個因素，揭示了通風和空調條件下圍護結構熱濕耦合雙向周期傳熱機理，提出了亞熱帶地區被動式建筑保溫隔熱計算方法和夏熱冬冷地區圍護結構熱工設計指標。 4、建立了圍護結構自然通風開口設計方法和節能設計指標。包括建立了建筑風環境尺度分級模擬方法;提出了建筑節能設計的窗開啟面積比指標，并確定了該指標的工程設計取值范圍。該成果作為強制性條文已被7部國家和地方建筑節能標準所采用，在濕熱地區應用面積超過6.5億㎡。 本項目依托的國家自然科學基金重點項目“濕熱地區城市微氣候調節與設計”，于2010年3月通過了項目驗收，評價等級為“A級”。多項成果達到國際先進水平，得到了多位專家、院士的一致好評，并已經開始被大力推廣和應用。 孟慶林教授和同事們的這項成果，不僅推動了我國亞熱帶地區建筑節能行業的技術進步，而且創造了巨大的社會效益與經濟效益。他們在科技創新和成果應用方面所做的努力，已經得到了實踐證明。
