湿热地区城市多孔铺装材料动态蒸发量数学模型研究结题摘要

我国近几十年的城市化，大量非自然，不透水下垫面逐渐改变了区域微气候和城市气候，居民生存环境质量下降。多孔透水材料相较于非透水硬化材料，除了可以缓解雨水径流，还具有蒸发降温，降低城市热岛等生态效应，是改善微气候和城市热环境，营造绿色社区与城市的重要内容。 天然降雨或人工淋水后，水分逐渐迁移至多孔材料表面，对周围环境形成冷却效果。蒸发过程中多孔材料单位面积的逐时蒸发量决定了其蒸发降温能力。尽管多孔材料蒸发现象的物理机制已经清楚，但材料属性和气候参数对其吸水和蒸发过程的作用机制依然模糊，从而无法科学评估其对热环境的影响规律。因此，研究城市多孔铺装材料动态蒸发量模型，对准确描述表面热量传递过程，科学评价材料蒸发降温能力具有重要的科学意义。 本项目共开展了以下工作：（1）多孔铺地材料逐时蒸发量和气候参数相关性的实验研究，得到逐时蒸发量与辐射、空气温度、风速呈正相关，与相对湿度呈负相关，且相关性排序为：辐射>相对湿度>空气温度>风速。（2）增加和优化热湿气候风洞实验台的动态补水集水系统，实现天然降水或人工淋水工况模拟，完善实验台室外环境全参数的动态复现功能。（3）通过夏季典型日的水面蒸发风洞实验，建立了逐时大气蒸发力PM和PM-M实验模型。（4）通过多孔铺地材料风洞实验，建立了以大气蒸发力，材料特性参数为变量的双曲正切实验模型和单分子实验模型，探索了模型系数的相关关系。（5）建立了DUTE计算模型，得到多孔铺地材料对平均热岛强度的影响因素主要是渗透地面面积比率和材料平均蒸发量。（6）将平均蒸发量代入DUTE模型，得到多孔渗透地面对区域平均热岛强度的影响值为0.2℃~0.4℃，渗透地面比率与热岛强度的变化规律为一次负线性函数。 项目相关研究成果“下垫面材料雨水渗透与蒸发量”，已被国家行业标准《城市居住区热环境设计标准》（JGJ286-2013）列为强制性条文，将为年新增约26亿m2 的城市下垫面，提供其蒸发指标和检测方法，成果应用前景十分广阔。 2100433B

我国湿热地区具有完整的进行蒸发降温的气象要素。在蒸发过程中，科学的评估动态蒸发量是蒸发降温技术的关键问题。 由于城市多孔铺装材料的动态蒸发量受室外气象要素和材料物理性质等因素的耦合影响，其计算过程十分复杂。某一特定气候环境的实验研究与经验半经验的解析方法难以描述这一过程的物理本质。实现气候环境的可复现性以及建立合理的数学模型是准确评价城市多孔铺装材料动态蒸发量的根本出路。 为此，本项目开展以下研究：（1）城市多孔铺装材料动态蒸发过程影响因子研究；（2）城市多孔铺装材料动态蒸发量数学模型研究；（3）城市多孔铺装材料蒸发过程对热环境影响研究。通过上述研究，建立城市多孔铺装材料动态蒸发量的数学模型和实验方法，为城市热环境评价提供动态计算参数和标准测试方法。其成果对于降低城市热岛效应，改善城市热环境质量具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

在我国湿热地区的夏季，普遍存在单一依赖空调创造稳态热环境的做法，由此带来了严重的高能耗和健康问题，而风扇在居住建筑环境控制中的有效作用被忽视。如能利用风扇制造空气流动并配合空调调节温度，将能显著改善室内热环境质量，并能缩短空调的运行时间或提高空调的控制温度上限，从而大大降低空调能耗。.本项目紧紧把握我国的节能战略和国内外热环境研究的发展趋势，提出适用于湿热地区居住建筑的风扇空调动态联动控制技术。系统研究湿热地区空气流动和环境温度动态变化的综合作用对人体热反应和睡眠质量的影响规律，提出风扇空调动态联动控制策略，以营造舒适健康的动态室内热环境和节约能耗，研究该技术的节能效果评价方法，分析其节能潜力，总结运用策略。研究成果将有利于在湿热地区充分地发掘风扇的使用潜力，以有效改善居室室内热环境，并显著降低建筑能耗。

在我国湿热地区的夏季，普遍存在单一依赖空调创造稳态热环境的做法，由此带来了严重的高能耗和健康问题，而风扇在居住建筑环境控制中的有效作用被忽视。如能利用风扇制造空气流动并配合空调调节温度，将能显著改善室内热环境质量，并能缩短空调的运行时间或提高空调的控制温度上限，从而大大降低空调能耗。人的一生约有1/3的时间在休息或睡眠中度过，而在人体休息或睡眠状态下，需要实现风扇和空调的智能自动控制，以满足人体热舒适的要求。 本项目通过实验室实验方法，选取我国湿热地区的典型人群和典型热湿环境状况，开展了系统的实验。以人体躺休状态为研究目标，研究了湿热地区空气流动对人体热舒适反应的影响特征，得到了空调辅以风扇调风的控制策略和适宜的温湿度和风速范围。并且完成了风扇空调联动控制系统的开发。 主要得到了如下结论：1）综合考虑热、湿和气流接受度，在风扇和空调的联动控制下，湿热地区居民平躺休息状态的舒适热环境范围为：室温27~30 ℃、相对湿度35%~75%，风速范围随温度而变，空气温度为27 ℃时，舒适风速范围为0~0.68 m/s，空气温度为28 ℃时，舒适风速范围为0.31~0.87 m/s，空气温度为29 ℃时，舒适风速范围为0.59~1.15 m/s，空气温度为30 ℃时，舒适风速范围为0.78~1.34 m/s；2）热感觉在微凉和微暖之间时，可较好地满足人体的热舒适要求；3）热感觉在微凉以上时，受试者可接受较高的风速气流；4）热感觉偏暖时，更多人希望环境冷点，气流更大，反之亦然。热感觉中性时，热偏好和气流偏好均为保持现状不变；5）热感觉主要受暴露在外部位的皮肤表面温度的影响，热感觉在微凉和微暖之间时，暴露部位的皮肤温度平均值在32.6~33.6 ℃之间。 得到了风扇和空调联动控制的控制策略：采用普通落地风扇和普通家用分体式空调器。空调采用制冷模式，设定温度为 27~30 ℃。风扇采用摇头模式，风扇风速档位根据室内气温确定。该策略可由开发的风扇空调联动控制系统实现。 本项目研究结果将用于利用风扇和空调的联动控制技术，营造短时休息和入睡前的舒适热环境，并为创造良好的睡眠热环境提供基础。由于该技术运用简单方便，如能广泛运用将能取得较大的节能效果。

我国热湿气候地区多孔建筑墙体热湿耦合迁移对其热工性能、建筑能耗及室内环境有着重要影响。本项目以多孔介质传热传质学为理论基础、以建筑围护结构内的热湿迁移及湿积累问题为工程背景对我国南方热湿气候地区多层墙体的热湿耦合迁移特性进行了系统的研究。利用非平衡热力学方程，考虑墙体内部水分蒸发冷凝等因素，建立多层墙体热湿耦合迁移动态数学模型以及热、湿及空气迁移动态数学模型。在典型热湿气候地区长沙，搭建足尺寸构件热湿耦合迁移实验台验证热湿耦合迁移动态模型，吻合良好。研究了建筑中的一些热湿迁移问题，例如，分析了太阳辐射对墙体热湿迁移的影响，研究表明太阳辐射对墙体热湿迁移有重要作用；通过分析解得到了墙体内冷凝率和液态含湿量的分布曲线以及达到临界含湿量所需的时间；对比分析了两种不同墙体的热湿迁移特性；分析了热湿气候地区湿迁移对墙体传热两的影响及几种墙体材料湿分对导热系数的影响。模型及实验研究研究结果能推动我国多孔介质墙体热湿迁移研究，对工程中热湿问题有着重要指导作用。 2100433B