工业建筑围护结构防热性能优化研究

　　摘要：根据工业建筑热源散热特点，采用室内操作温度为工业建筑围护结构防热优化控制参数，以“不满意总小时数”为防热优化控制目标，当“不满意总小时数”最小时，对应的围护结构防热效果最优。以西安地区为例，选择典型的厂房模型进行优化研究，得到了不同热强度时工业建筑围护结构传热系数推荐值，对工业建筑围护结构防热设计提供参考。

　　关键词：工业建筑围护结构防热性能优化研究

　　根据工业建筑室内源项特征及环境控制方式可以将工业建筑分为两类[1]，其中二类工业建筑中具有强热源的建筑均采用通风来控制室内热环境，尽管如此，其室内温度依然偏高。现场实测数据表明，工业建筑热车间夏季的平均气温常常超过45益[2­3]，夏季定向平均辐射温度最大值约为100益[4]，这和夏季室外综合温度相比，室内高温热源与太阳辐射对围护结构传热的影响存在相同的数量级。工业建筑围护结构防热性能不但受室外气候条件的影响，同时还受到室内热源强度的影响。

　　因此，工业建筑围护结构防热既要考虑隔热，还要考虑室内散热，其防热设计不能直接套用民用建筑。民用建筑围护结构隔热设计的控制目标是围护结构内表面最高温度[5]，而工业建筑室内具有不同强度的热源，热源的对流散热和辐射散热是影响室内热环境的主要原因，同时热源的辐射散热也是影响围护结构内壁面温度的主要原因。研究工业建筑通风条件下围护结构防热性能优化有助于指导其围护结构防热设计，改善室内热环境并节约通风能耗。

　　1防热性能优化方法

　　民用建筑围护结构控制内表面最高温度的目的之一是控制室外热量不过多的传入室内，目的之二就是内壁面温度过高会使得内表面辐射温度过高，对人体产生较多的热辐射，从而影响人体热舒适。对于室内热强度较大的工业建筑来说，由于室内温度较高，其围护结构防热不仅仅是防止室外热量进入室内，多数情况下希望热量由室内传向室外，以此来降低室内温度。而室内热源散热直接影响围护结构内壁面温度，同时热源散热中的对流热和辐射热影响了人体热舒适。

　　考虑到工业建筑围护结构防热的特殊性，本文通过分析围护结构变化对操作温度的影响进而评价围护结构防热性能的优劣。操作温度(Operativetemperature)是假想黑色包围体的均匀温度，人在该黑色包围体中的辐射换热及对流换热量与在实际非均匀环境的换热量相同。假定夏季操作温度控制值为35益和冬季操作温度控制值为12益，定义全年室内操作温度高于夏季操作温度控制值的小时数与全年室内操作温度低于冬季操作温度控制值的小时数之和为“不满意总小时数”，并以“不满意总小时数”作为防热控制目标，通过修改围护结构保温板厚度，即传热系数的大小，统计不同围护结构组合形式的“不满意总小时数”，当“不满意总小时数”达到最小时围护结构防热效果相对最好，对应的传热系数为推荐值，此传热系数对应的围护结构防热效果最佳，传热系数过大或过小都会影响防热的整体效果。优化设计方法具体过程如下：假设屋顶和外墙的围护结构均采用金属围护结构，即两侧钢板中间夹保温板，具体取值见表1。外墙和屋顶的保温板厚度n和N均为变量，从0.001m开始，每次增加0.001m，一直增加至0.2m。

　　根据排列组合法可以产生40000种组合。利用Python调用Energyplus进行计算，每计算一次，Python会统计一次“不满意总小时数”和对应的外墙和屋顶的传热系数，并写入对应的文本中。之后再利用第一步所生成的保温板厚度文本中的数据逐次替换模型的保温板厚度。以此计算完所有工况，输出各工况对应的“不满意总小时数”和传热系数值。最后对比各工况“不满意总小时数”，最小值对应的外墙和屋顶组合形式防热效果最好。由于外墙和屋顶的传热系数不同，排列组合之后样本数量较大，因此本文中调用Python中的多进程模块实现了EnergyPlus的并行计算[7]。

　　2不同热强度工业建筑围护结构优化设计

　　2.1模型简介

　　根据既有工业建筑调研结果确定典型工业建筑模型的体型系数为0.15，窗墙面积比取0.2，建筑长宽高分别为L=90m，W=30m，H=16m，气楼高2.5m，坐标轴位于地面中心位置。热源位于地面的中心位置，其中热源的宽度w/W=0.3，长度l/L=0.8，高度忽略不计。下侧窗距地1.2m，主要用作进风口，高侧窗距地10m，主要用来采光，天窗布置在气楼上，主要用作排风口。模型中将窗户进行了简化，将类型和位置相同的窗户简化为一个。南墙有下侧窗和上侧窗，侧窗的长度均为l’/L=0.8,下侧窗高为3.6m，上侧窗高2.4m。东西墙只设置上侧窗，高度为2.4m，长度为24m。

　　2.2工况及边界条件

　　根据《工业建筑节能设计统一标准》给出的三种室内热强度范围，取各范围的中间值为各工况的室内热强度。Energyplus中热源项设置为单位面积的散热量，需要将热强度转化为单位面积散热量，已知厂房占地面积为2700m2。热源散热量包括对流散热和辐射散热，由于Energyplus不能计算具体的辐射对流比，本文根据热强度求出热源单位面积的散热量，根据《室内气流空气动力学》[8]中对应的计算结果，得出辐射占比作为设置条件。

　　3结论

　　本文根据工业建筑围护结构防热特点，采用室内操作温度为工业建筑围护结构防热优化控制参数，以“不满意总小时数”为防热优化控制目标，并建立典型工业厂房模型，对西安地区不同余热强度条件下围护结构防热性能进行优化。在通风换气次数一定的条件下得到西安地区室内热强度为45W/m3和30W/m3时，外墙传热系数推荐值为6.4W/(m2·K)，屋顶传热系数推荐值为0.44W/(m2·K)。室内热强度为15W/m3时，由于夏季室内通风量较大，室内热环境主要受通风量影响，围护结构传热系数对夏季室内热环境影响小，围护结构应以冬季保温为主，此时外墙和屋顶的传热系数可参考该地区民用建筑节能标准以及现有的围护结构构造取相对较小值。

　　参考文献

　　[1]中冶建筑研究总院有限公司,西安建筑科技大学.GB51245­2017工业建筑节能设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,2017.

　　[2]冯松海,邓高翔,邹声华.某钢厂热源厂房通风改造[J].工业安全与环保,2004,30(1):22­4

　　[3]邹声华,张登春,李孔清.自然通风改善半封闭热源厂房热环境的研究[J].矿冶工程,2005,25(2):81­4.

　　[4]孟晓静.高温热源工业建筑双辐射作用下室内热环境特性研究[D].西安:西安建筑科技大学,2016.

　　[5]中国建筑科学研究院.GB50176­2016民用建筑热工设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

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