建筑的热环境的测试与计算机模拟优化

　　摘要：本文对西安某大学图书馆大厅进行热环境的分析，通过现场测试和使用ecotect软件进行热环境模拟，定量的对该区域的全年热环境作出评价。最终由分析结果得到，图书馆大厅存在热工设计缺陷，应当改良玻璃幕墙的热工性能，加强门窗气密性，灵活控制对外门窗的开闭时间，以改善其热环境、降低能耗。
　　关键词：图书馆大厅；热工分析；热环境模拟；Ecotect
　　一、受评建筑概况
　　1.1西安市气候概述
　　西安市地处北纬34º18'、东经108º56'，属暖温带半湿润大陆性季风气候，在热工分区中属于寒冷气候地区，气候特征表现为冬季寒冷少雨雪，夏季气候炎热干燥且多雨。西安地区气候特点决定了该地区的建筑在冬季应当充分利用被动式太阳能采暖，在夏季充分利用自然通风和遮阳实现降温。这是实现节能的首选设计策略。
　　1.2建筑概况
　　该图书馆建筑为五层框架结构，平面呈“回”字形，中央设有两个天井。其入口大厅位于东侧二层。建筑东墙采用用隐框铝合金玻璃幕墙，其余墙体均为空心砌块墙体，外贴瓷砖。外窗为塑钢窗。
　　室外绿化环境概况:建筑西、北两侧均植有树木且地面铺植草砖；建筑东侧为铺有水磨石地面的广场，绿化少，有一小型水池；建筑南向仅种植了草皮；整栋建筑无遮阳设施。
　　二、研究方法
　　研究方法包括现场实测和计算机模拟分析两部分。现场实测是对典型空间有重点的数据采集,主要研究现实使用情况的热环境特点。本文仅获得过度季节的现场测试数据。另一部分，利用ecotect软件的强大功能对该区域热环境进行不同季节的模拟和分析。将过度季节的测试数据与计算机模拟初期数据进行比对，适当的修正模型和模拟参数，有利于通过ecotect软件的热环境分析功能获得较为可信定量结论。
　　2.1现场实测
　　测试时间为2009年10月13日14：00~20：00，14日8：00~20：00和15日8：00~14：00，每一小时纪录一次。测试期间13日、14日晴天、日照强烈、有微风，昼夜温差较明显；15日阴天，温度较低。本次测试采用TR7xU140E自记式温/湿度计测量室内外温湿度，以及红外测温仪测量壁面温度。温湿度计测量精度为0.2℃,室内外温度测点设置高度距地面1.5m；壁面温度测点设于距地0.8m~1.2m处，如图所示(图1)。
　　2.2计算机模拟
　　以现场实测数据为根据，对该区域过度季节的热环境进行分析的同时，还可以比对软件模拟出的十月十三日热环境数据，分析模拟误差原因，并对模拟模型和参数进行修正、调整。经过调整后，软件模拟出的其他季节的量化数据也便提高了一定的可信度。
　　本文的模拟过程的气象数据采用Ecotect自带的西安气象数据文件，在模拟计算前已核对和设定围护结构参数，设备和人员的工作时间与产热量进行了适当的简化和估值。
　　三、数据结果与分析
　　3.1测试结果与分析
　　a.室内外空气温度测试时间，室外空气温度变化较大，范围在15.7℃~27.2℃之间，平均温度为21.5℃，最高温度与最低温度分别出现于13日下午15：00与13日晚上20：00；大厅室内温度曲线较平缓，变化范围在20.1℃~24.4℃之间，平均温度为22.1℃，最高温度与最低温度分别出现于13日下午14：00与14日上午9：00。
　　b.室内外空气相对湿度从室外空气温度的测试结果可以看出，室内相对湿度变化范围在50.1%~66.9%之间，平均相对湿度为57%，处于我国民用及公共建筑室内相对湿度的推荐值范围内。
　　c.壁面温度经测试，东侧壁面平均温度在一天之内的变化范围较大，处于18.8℃~32.5℃之间，最高温度出现于上午9：00~11：00。其主要原因是东侧壁面为未设置遮阳设施的铝合金单层玻璃幕墙，受室外太阳辐射影响较大，而上午10点左右是东侧幕墙接受太阳辐射量最多的时刻；西侧壁面温度受外侧天井的影响，其内表面温度变化平缓，在20.3℃左右，东侧壁面温度在下午18：00之前大于西侧壁面温度。
　　3.2模拟结果与分析
　　本文在现场实测的基础上,利用建筑环境模拟软件Ecotect5.5对大厅区域进行热环境分析。将测试数据与模拟所得十月十三日的逐时温度比对，对模型进行适当修正后，进行维护结构全年分项得失热分析，明确优化策略。
　　从表2中可以看到，气象数据中的室外温度在下午两点前均低于实测的室外温度，且差值明显，下午两点至晚八点又明显高于实测温度。由于这种计算外扰的差异，必然会引起模拟计算结果与实测也存在差异。可以看到，模拟结果在两点前的数据与实测结果是存在明显差异，这与室外温度的差异趋势是相同的，而且两点后的温度与实测很接近，并且有高于实
　　测温度的趋势。经过这种差异的比对，可以肯定本文的模拟结果是可信的。
　　如图中所示，该大厅在全年主要的热损失是通过围护结构和通风散失掉的。也就是说，玻璃幕墙和为了人员流通而大开的门洞成为了寒冷季节能量流失的主要通道。而在夏季，主要的得热部分同样来源于围护结构传导得热和自然通风得热。透过玻璃幕墙产生的太阳辐射得热并未成为夏季主要的得热部分，这主要是因为幕墙面朝东向，使得大厅在清晨气温较低时受到太阳辐射影响，温度有所上升。但此时段的辐射得热并没有成为影响大厅温度过热的最主要原因。四、结论
　　通过对该图书馆大厅热环境的现场测试和模拟分析，本文得到如下结论：
　　1）该区域的热工设计存在明显问题：冬季存在较大的采暖负荷，而夏季由于没有空调设施，满足人舒适度要求的时间比重还不足50％；
　　2）作为图书馆的交通枢纽，其交通门洞经常大开，这虽对夏季自然通风有利，却造成冬季过多的热损失。东向普通玻璃幕墙由于其很差的热工性能，成为又一个影响热舒适、增加能耗的重要因素。
　　3）对该区域进行节能改造，应当重点处理主要矛盾。首先是提高外围护结构的保温隔热性能。也就是说，重点在降低门窗和玻璃幕墙的传热系数上。建议的改造方案有：a将普通玻璃更换为LOW-E玻璃;b给玻璃贴上隔热安全膜;c在幕墙内侧加装真空玻璃。这些方式都是对不合格现状较为合理的改造策略，仅是成本不同。其次，还应该提高门窗气密性，冬季在主要冷风进入口加设挡风门帘或是于入口处增建门斗，派专人管理馆内门窗在不同季节的开启和关闭等等。