夏热冬冷地区农宅通风蓄热式表皮耦合自然能源的热调节特性研究

The indoor thermal environment of rural residence in the hot summer and cold winter region has long been an issue due to lack of proper heating measures. There is an urgent need to study the building thermal environment improvement technology adapted to the local climate resource conditions and farmers' living habits. Learning from the wisdom of the kang heating system, a rural house integrated ventilated concrete skin coupled with heating module using surplus heat from stove for heating is proposed, which is selected to study the thermoregulation characteristics under heating pattern. Firstly the full scale experiment platform is designed, and used to explore the smoke flow and heat transfer mechanism of the heating module. Then the building thermal process model is built based on heat balance method to obtain the optimal the components’ parameters. In the end, the thermoregulation characteristics under different energy supply are studied and the operational regulation strategies of the system for optimal indoor thermal comfort are obtained. And the climate adaptability evaluation is also included. The basic theory and scientific methods of thermal environment improvement for rural houses in the hot summer and cold winter region and the design of the new building adaptive skin is established. This study helps to guide farmers to make full use of local natural resources, extend the time of using non-commercial energy for air conditionings and improve the quality of beautiful rural living environment with important theoretical value and social significance.

长期以来夏热冬冷地区农村缺乏适宜的供暖技术，冬季室内热舒适性恶劣，亟需研究适应当地气候资源条件及农民生活习惯的建筑热环境改善技术。本项目借鉴北方传统火炕系统的供暖智慧，提出一种由利用炉灶排烟余热的烟气加热模块及建筑本体空心热质构件集成的通风蓄热式建筑表皮供暖方式，以此为研究对象进行供暖工况下的热调节特性研究：通过设计搭建足尺实验平台进行测试，探究烟气加热模块的流动与传热机理及空心热质构件的吸蓄放热特性；基于热平衡法建立通风蓄热式表皮建筑热过程计算模型，提出结构参数优化方法；研究通风蓄热式表皮在不同热源下的热环境调节特性以及达到最佳热舒适下的系统运行调节方法，并进行气候适应性评价，为夏热冬冷地区农村住宅热环境改善及适应性表皮设计提供基础理论和科学方法。本研究对于科学指导农民充分利用当地的自然资源、延长农宅非商品能源采暖空调时间、提升美丽乡村居住环境质量等具有重要的理论价值和社会意义。

长期以来我国夏热冬冷地区农村住宅建筑物理性能差，加之缺少合适的采暖降温方式，致使冬夏室内热环境恶劣。研究热舒适改善和节能双重导向下的建成环境性能提升措施及设计策略对于当前夏热冬冷地区而言十分迫切。本项目借鉴北方传统火炕系统的供暖智慧，提出了具有气候适应性的通风蓄热式表皮形式，并开展系统的理论和实验研究。项目主要研究内容及成果包括：（1）建立了热源在表皮中和热源在室内的两种采暖模式下建筑宏观传热和流动模型，分析得到热源在建筑表皮内的采暖方式相对于传统方式室内温度波动小、舒适性好。（2）建立通风蓄热式表皮流动与传热计算模型，并进行实验验证其准确性。（3）针对利用烟气余热和自然能源的通风蓄热式表皮，综合考虑夏季、冬季工况下对保温层厚度、空气层送风温度、送风速度、厚度以及蓄热层厚度等参数进行优化分析，提出了优化设计策略，在此基础上提出了两种典型的通风蓄热式表皮一体化设计方法；（4）搭建了通风蓄热式表皮住宅实验平台，分别对通风墙体的冬夏季热响应及热工性能进行测试。结果表明通风蓄热式表皮具有很好的保温隔热性能，有助于改善室内热环境；（5）进行通风蓄热式表皮在夏热冬冷地区不同城市下适应性评价研究。研究表明在夏热冬冷地区9个典型城市气候条件下，通风蓄热式表皮住宅的室内热环境相对于与传统住宅得到了很大的改善，冬季热负荷降低率可达到20%-75%，在解决我国南方农村家庭冬季采暖、改善室内热环境和舒适水平等方面具有重要的应用前景。本研究成果可为夏热冬冷地区农村住宅热环境改善及适应性表皮设计提供基础理论和科学方法。