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热容的热质量效果——木质结构房屋技术资料(三)

http://www.loghousecn.com    文章来源:本站原创    更新时间:11/20/2010    文章编辑:lidekang

建筑墙中的热容:基础物理学

 

为什么木墙比热值稳态指数材料和系统建立的性能要好?室外天气的动态交互作用和建筑设计和运作参数——自动调温器设置,玻璃窗的数量,漏风率,增加的保温材料和位置等——大大影响热质量效果减少长期舒适条件使用的能量的范围。

 

有几个原因综合起来促使木墙跟框架墙相比每年提高室内舒适的相对效力。第一个因素是“热质量”。材料热质量是它的密度功能——通常用磅每立方英尺度量和特定热量——通常用Btu/pound-deg.Fahrenheit度量。

 

材料热质量是热容在圆面积的结果。决定木墙中热质量多少的重要因素是厚度,密度和材料的特定热量——从中能够估计热容。然而框架墙常常有接近1Btu/平方英尺-Deg.F的热容,木墙常常同样的表面有多于68倍热容。

 

木墙和石墙备有证明文件的热容效果

 

此部分的结论内容参考2001NAHB木屋协会研究“木屋热质量和能效:木屋能效计算和率评估与其它居住墙结构系统比较。”

 

早在1967年,热质量效果被探究,如J.F. Van Straaten 在经典著作“建筑的热性能”记载的。他指出蛋没有命名,一个明显的建筑物理性讨论了贮藏热容和抵抗结构热流失的能力,结构包括各种装配如墙,屋顶和地基。

 

研究者用从计算机建模和工具测试结构中得出的数据,积极讨论了1973 之后工程文献中热质量效果。NIST早期工作的结果,是建筑能量模拟计算标准叫做“NBSLD-建筑中热冷荷载的计算机程序,”1974年下半年出版。它对基于天气的动态模拟能够胜任,不止是传统稳态计算。很多随后的计算机能量标准都基于这个早期的软件。NIST前期叫做国际标准局。

 

NBSLD标准,伊利诺斯州基地的波兰水泥协会(PCA)将框架建筑跟水泥建筑用NBSLD进行比较。他们的分析将轻框架建筑跟等尺寸和形状的水泥建筑比较保温R值较高(多于30%)。他们计算的轻重力的墙最高冷荷载比低R值的水泥墙高38%65%。在重的情况下整个建筑季节性热荷载是比较好保温的轻框架少12.3%,季节性冷荷载少17.4%

 

1977年,DougallGoldthwait在论文中造出“热质量”一词,也报告了NBSLD的结果。他们报告中房屋中热质量在五种气候中供热节约能量多于3%12%。然而他们的发现也暗示了墙上增加的热质量在一些较热的气候中如萨克拉曼多等地可能能够增加一定百分比的冷荷载。

 

1979年能源利用管理国际会议上的报告总结,水泥建筑性能好像比稳态计算更好的保温,在这种情况 下的供热设备能被错误的扩大大约30%的尺寸。他们的墙分析在计算的和测量的和在之间有4%8%。标准建筑构造。在质量墙外面的热保温是由于比稳态计算预测的更好的热性能。

 

1979ASHRAE 冬季会议,Goodwin Catani 提出水泥工业的“M-系数。”M系数是从众多NBSLD计算的热冷率中得出的,是相似设计的热质量墙建筑跟轻框架建筑中得出的。那时,ASHRAE标准跟轻框架墙相比需要更多价值的保温水平增加到水泥墙。M因素的目的是显示相同热量和空调性能能够达到高质量的由低R值安装的建筑,由此使它们更加能够建造。

 

新墨西哥大学在1978年到1982年指导的关于热质量的独立工作。新墨西哥大学的Leigh博士指导的研究本质上验证了水泥业M系数,不管从保温工业中研究者的目标。Leigh的工作继续指出块状墙在一些气候下性能比稳态计算中建议的性能要好。

 

1982年后期,DOE热质量计划正在进行,NIST指出工具测试的初步结果跟位于马里兰的框架,水泥和木墙居住等级测试相比较。NIST测试建筑设计每个方面都相似,但是它们的墙为了显示不同墙型之间热性能的不同而不同。NIST研究者Doug Burch报告质量墙建筑包括混凝土和木屋结构似乎比保温良好的轻框架墙建筑能够保存热能。木墙测试建筑比绝缘的木框架房屋和外部绝缘的块体墙房屋有更好的性能,后两者有较高的稳态R值。

 

NIST数据也显示木墙的一些其它方面,没有充分在报告中讨论。他们的测试的R值,比预测的稳态的R值跟其它建筑相比较低。然而测试的木墙热冷性能比计算机模型预测的好。这明确表示工程团体用的稳态计算高于木墙热量损失。

 

NIST测量热容效果的工作贯穿1984年,那时ASHRAEA文件关于观察的供暖和冷气热质量行为出版了。木墙在这两项报告中显示了非常好的性能。在热冷季节跟绝缘框架建筑相比节约了能量。供热能量节省45%,供冷能量节省37%,比外部绝缘块体建筑好。

 

NIST也推断其它气候下的供热结果。结果显示在寒冷气候中根据KWH供热的绝对不同有3.3%的供热节省。在温和气候中达到大约62%供热节省,根据现场测试数据的计算机推断。这个范围将外部绝缘的水泥建筑跟绝缘的框架建筑比较。由此,可能预计木墙房屋的范围可能较少,因为冬季跟木墙建筑相比,最高性能外部绝缘块体建筑节约大约22%供热。木墙预计供热和供冷每年节约能量的合理范围大约是2.5%,在Madison威斯康星州非常冷的气候中,在南加利福尼亚温和的气候中达到48%

 

1表明供热供冷的季节荷载,有NIST试验现场的BLAST预测。木屋和水泥屋都比绝缘框架结构性能好。木墙似乎也在测量的和预计的结果之间有个最近的协议。

 

此外,NIST研究者确定,大体积墙建筑在夏天用夜间通风,在冬天用热逆流性能,比框架墙建筑和内部绝缘砌石建筑性能好。质量加上室内有条件的空间,包括自动调温器控制的舒适水平。在夏季额外的热应该被储存在墙体中,之后由夜间通风移除,在之后的日子减少AC需要。

 

另一个关键发现是测量绝缘轻框架建筑的实际荷载似乎是不足够的质量。就是说,当天气情况突然改变时,轻框架建筑的自动调温器就会超过实际供暖或冷的量,否则满足相似设计的大体积墙建筑的舒适需求。这是一个重要发现。只有通过观察能量在工具的建筑中的用处才能发现。先前的工作已经大大显示这个观察是计算机错误。

 

1982年到1984年,新墨西哥能量研究和发展院执行了另一个工具测试房屋现场,在DOE热质量计划之下。在高沙漠气候Santa Fe Albuquerque 之间,西南热质量研究指导测试房屋细节能量控制,该房屋相同的屋顶,地基和窗户,只有它们的墙结构不同。

 

除了木框架,木墙和水泥块体建筑,3种传统西南砖坯墙屋用逐渐加厚的墙建成,达到15英寸厚,屋顶绝缘达到R30,地基R15.4,同样尺寸,U系数,第一次校准测试房子之后安装的阴影系数窗无开窗法。15英寸砖坯墙超厚重房屋也是在测试数据中作为基本正常研究案例。标准化是统计学校正一套数据的错误水平的过程。

 

木墙研究房屋用7英寸墙(R-9),而木框架测试房屋用4.5英寸厚(2x4一般1/2英寸内墙板和外盖板)R11绝缘墙,纠正为框架对空腔绝缘区域。测量的框架和木屋的空气改变率是大约0.1每小时。(注:典型房屋空气改变率每小时0.350.5,所以测试建筑非常低。)

 

根据NM-ERDI报告,木墙和绝缘框架房屋有相同的计算的稳态建筑荷载系数(50.1瓦特每度)。尽管相同的稳态荷载系数,木墙在所有测试房子中用最小的热能。木墙测试房屋显示在1983年春季比较高R值的框架房低27%的热量需求。

 

主要建筑能量模仿工具确认大大标志着DOE特质量研究的顶点。DOE计划在ORNL没有整体最后报告的发布而平静地减少。然而最后,热质量研究结果确实帮助在标准和标准法规中认可的热容受益,然而,只是在一个非常基本的和保守的水平。

 

DOE支持的热质量研究结论

 

通过关于木墙热性能的文献回顾,出现几个关键的发现。

 

1)  木墙,尽管较低的稳态R值,表现出提供相同或者更高的年供热和供凉性能,跟较高稳态R值的框架墙相比较的话。例如:计算的稳态R9值的一个木墙跟供热和A/C荷载是R13R15的绝缘轻框架墙在适度的气候中表现相似。

 

2)  木墙相似的装配比轻重木墙或者钢架墙有很少的热量短路。这个性质使得稳态计算的热量发射水平和他们的实际热性能之间更加接近。校准测试和复杂的计算机模型都确定了这一观察。

 

3)  研究表明木结构热质量装配完整,每单位的保温和热熔几乎跟混凝土和砌石墙的外保温一样有效。在木墙中,它的保温跟热容混在一起,提供结构和热保护的双重功能。

 

4)  混凝土,块体和砖墙有较高的热容但是跟实木墙相比也有较高的导热性。因此砌体墙可能需要加传统保温以适应大多数美国气候法规以对应绝缘材料作为结构材料的木墙。

 

5)  外部绝缘大体积墙的最大的热质量效果已经被发现。大体积墙的内部保温大大减少了它的热容受益。从供热的大结构建筑中获得最大优势,保温材料应该要么放在外墙要么跟结构部分混合在一起如跟木结构在一起。

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