湿热气候建筑墙体热湿耦合传递动态模型与实验研究

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

我国湿热气候地区的建筑墙体存在着很强的热湿耦合传递现象。墙体热湿耦合传递对建筑热工性能、建筑热湿环境和建筑能耗有着十分重要的影响。本项目在多孔介质热质传递理论、能量和质量守恒定律的基础上，利用非平衡热力学方程，考虑墙体内部水分蒸发冷凝及太阳辐射等影响因素，研究墙体内热湿耦合传递机理，建立多层墙体热湿耦合传递动态数学模型；解决机理模型系数难以确定和不同材料间的边界条件不能确定的难题；开发有效的实验验证测试技术，采用two-way expansion和动态边界条件等先进数值技术，提高机理模型准确性和数值稳定性。进而研究墙体热湿耦合传递对建筑热湿环境和建筑能耗的影响、湿热气候节能墙体的设计分析方法、墙体内部冷凝状况和墙体霉菌生长情况，为我国湿热气候地区的节能建筑墙体的设计，降低墙体内部冷凝几率，防止墙体霉菌生长提供理论依据和技术指导。

本课题源于当前建筑行业对于节能减排的紧迫需要，立足于我国湿热地区的特有气候，总结提炼传统及现代岭南建筑顺应气候环境的建筑气候空间系统的气候调节价值，以此为基础确定典型的气候空间尺度模型，应用模拟软件检验其气候适应价值，根据实测及模拟分析结果，对尺度模型做出修正完善。研究力图揭示湿热地区建筑气候空间系统调节气候的基本原理，重点研究空间系统有效尺度模型，并把研究对象拓展至建筑群体、建筑与建筑外界面气候空间系统三个层级，试图建立一套以气候空间系统为核心的空间设计协同策略，主要内容包括： ① 湿热地区三个层级的气候空间系统尺度与组合模式调研及数据化研究；②基于热舒适性评价的湿热地区建筑气候空间系统联动作用机制研究；③基于能耗优化评估的夏热冬暖地区建筑气候空间系统联动作用机制研究；④基于适应灾害气候条件的气候空间系统联动作用策略研究；⑤气候空间系统尺度模型的多元应用及以气候空间系统为核心的空间设计协同策略研究。 研究以热舒适性、能耗、灾害气候适应性等作为评价指标，深入研究了气候空间系统要素间的协同作用机制，得出对建筑设计有指导意义的结论，为建筑设计实践提供指引，同时又得到实际实践的实证反馈优化，从而构建出一套以气候空间系统为核心的空间设计协同策略。 研究的贡献在于提出建筑“气候空间”概念及其系统尺度模型的研究方法，总结了建筑群体、建筑与建筑外界面气候空间系统的尺度模型规律；得到了基于热舒适性评价与能耗优化评估的湿热地区建筑气候空间系统联动机制及优化策略；此外，课题创新地提出城市设计方法模式、多目标协同定性定量与正交实验等研究应用方法，既为多因素影响下的气候空间系统尺度模型的研究与应用提供了技术支撑，也为类似的研究和应用提供借鉴。 2100433B

课题立足于我国湿热地区气候，总结提炼传统及现代岭南建筑顺应气候的建筑空间的气候调节价值，以此为基础确定典型的空间尺度模型，根据实证及模拟分析结果，揭示湿热地区建筑空间调节气候的基本原理。通过尺度模型在湿热地区建筑设计中的应用论证，建立一套适用于湿热地区建筑的空间节能设计模式语言，并通过运用和推广指导绿色建筑空间设计工作。 研究按照计划分别进行了岭南传统及现代建筑空间的普查与数据化处理，分别对广州城市民居的天井、近代城市建筑的外廊（含骑楼），现代建筑遮阳防热空间等空间类型进行资料收集，确定了复合表皮空间、冷巷空间、天井空间、外廊空间、非对称大空间为空间尺度模型的重点分析内容。结合空间光/热/通风模拟与实测对空间模型尺度进行分析，结合多种软件优化比对的方法，确定了空间合理尺度模型。将研究成果的典型尺度模型与实际项目设计效果进行比对，通过应用分析，论证尺度模型的价值。通过案例应用，取得了具有说服力的结论。 主要研究结论体现为：1）创新性提出建筑设计气候调节空0间尺度研究的理论价值与方法研究，提出建筑空间设计从“形式管理”走向“能量管理”的观点，以此为基点确定建筑空间研究的定性分析和定量评价；2）完成湿热地区复合表皮空间尺度的分析研究，确定水平遮阳与垂直遮阳组合的遮阳模式，与700~800×4000mm外表皮空间组合的表皮空间尺度模式，并对光伏一体化复合表皮空间模式与尺度进行分析；3）完成湿热地区外廊空间尺度模型研究，确定了建筑南向外廊层高采用3.0~3.5x4米的合理尺度模型；4）初步完成天井空间尺度模型研究，对竹筒屋天井采用结合通风、采光、防热综合性能分析的优选比照，采用3x3x8（H）米的天井尺度范围能够满足良好的建筑内部环境舒适性效果；5）完成湿热气候建筑大空间设计的非对称形态研究。 项目研究与德国慕尼黑工业大学、荷兰代尔夫特理工大学等专家进行合作合作交流。团队发表论文8篇（其中期刊论文5篇，会议论文3篇，其中EI收录5篇），研究指导硕士研究生完成硕士毕业论文11篇（其中标注6篇）；研究成果应用于绿色建筑设计，取得多项建筑设计奖项。项目团队（肖毅强、王静、李晋）及研究成果指导2013年中国国际太阳能竞赛华南理工大学队项目，表现优异，代表队获得总分亚军。项目成员王静老师在课题支持下，2012年入选教育部新世纪人才计划等。 研究正进一步细化和完善，并继续发表和论著出 2100433B

课题立足于我国湿热地区的特有气候，总结提炼传统岭南建筑顺应气候的思想，以此为基础设计数字化的空间尺度模型，应用模拟软件检验能量在其中的流动过程，根据反馈结果修正完善。研究力图揭示湿热地区建筑空间调节气候的基本原理，并通过尺度模型在湿热地区建筑宏观、中观与微观各个层面中的多元应用，最终建立一套适用于湿热地区建筑的空间节能设计模式语言。.研究基于当前建筑业绿色节能和低碳减排的迫切需求，对岭南传统建筑适应气候方式进行创新性继承而展开的湿热环境建筑空间研究，不仅能优化湿热地区建筑的环境性能，提升绿色品质，还充分挖掘了建筑空间自身的节能潜力，确立当代科学的建筑空间价值观念，实现科学技术与艺术设计的最佳平衡，为建筑学科的发展提供了广阔空间。