本文是一篇建筑论文，本文提出适合呼和浩特地区农宅的地板间歇运行方式，探索其对室内热环境影响。建立了呼和浩特农宅模型以及地板末端单元模型，利用数值模拟方法得出了瞬态条件下，呼和浩特地区农宅的室内温度、瞬态热流负荷、火积耗散量。
第一章 绪论
1.1 研究背景
北方地区农宅室内热稳定性差，农宅冬季能耗相比城镇建筑更高，亟需采用有效手段改善农宅室内热稳定性。混凝土地板自身的蓄放热特性，对调节室内热稳定性具有一定优势，在有效改善室内热环境的基础上，保证科学用能，为进一步实现国家提出的重点领域节能降碳减排策略，提供了实践意义。
1.1.1 国家节能减碳的战略需求
随着全球经济科技快速发展，在提升了城镇、城市生活水平的同时，全球的大气环境同样面临着越来越大的压力。IPCC（政府间气候变化专门委员会）第六次评估报告的第一工作组报告发布中提到[1]，由于人类的活动，自1750年起大气中的温室气体浓度持续不断增加，致使全球地表温度上升0.8℃-1.3℃，由此导致了北极冰川面积退缩、海平面上升等一系列连锁反应，甚至极端天气事件频发，会对人类生活生产及生物多样性带来危害。经预测到本世纪中期，如果不加强对温室气体及二氧化碳的管控，全球地表温度会上升至少1.5℃-2℃。
导致温室气体排放的主要原因，源自各类资源消耗产生的有害物质。我国自1980年至2020年城镇与农村居民的能源消耗量呈现稳步增加趋势，如图1-1我国人均煤炭的使用情况在2000年前一直在150kg上下浮动，该时期煤炭消费高于电力消费，2000年后电网铺设普及，电力消费从2000年的109kW· h增长到2020年808kW· h，每年人均电力同比增加30kW·h-40 kW·h[1]。在电力消费能源增长时，农村人均能源消费也逐年增长，城镇人均消费与农村人均消费能源在2010年后差距减小，直到2016年农村人均能源消费达到402千克标准煤，高出城镇人均能源消费22千克标准煤，这是由于农村人民经济收入水平、生活水平提高，因此对居住环境条件要求提高。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地板蓄放热相关研究
1.2.1.1 地板蓄放热形式
蓄热是指在一段时间内利用具有热容量的容器将热量储存的过程，而建造建筑的材料具有较大热容量,利用建筑材料的蓄热特性与太阳能这种热源结合,在白天储存太阳能,晚上将热量释放出,可以很好调节室内热环境,同时达到减少能耗的目的。
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房子在建造时人们更多注意到墙体与屋顶的隔热蓄热，然而地面的热损失是建筑总热损失中最不为人知的部分。因此，地面的热量损失占了房屋总热量损失的很大一部分，采用楼板蓄热也成为减少热损失的最优解决措施。楼板蓄热不同于墙体、屋顶蓄热，可以直接利用太阳能辐射吸收储存热量，而是需要通过地板采暖系统对室内提供热量，这种系统的优点在于热源所在的区域位于人体脚下，符合人身体脚部热头部凉的感受。该系统的传热特性是通过辐射的方式将热量传递到室内，使室内热环境趋于稳定，不易产生较大温度变化。最后是该系统工作方式的不同，辐射的传热方式使系统不需要极高的工作温度，实现了低温产热，在减少了能源消耗的基础上，满足人对室内舒适度的需要。
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第二章 相关理论及研究基础
2.1 地板蓄放热理论基础
2.1.1 地板蓄放热过程
地板的蓄热过程包括三个部分，分别涉及到对流辐射与导热过程。具体可以划分为以下三个过程：
（1）热源与管壁
该过程包括了热源与管壁之间的对流换热，以及管壁内部的热传导过程。其中加热管内的水流由于受管壁管径尺寸的影响限制了流动，因此加热管内的热源就与外部流动有明显区别，这种换热方式称为单向对流换热。
（2）管壁与填充层
当温度传递至填充层时主要通过对流与导热方式进行传递，温度变化的影响因素除了受位置影响还与时间呈现一定规律，因此这一阶段温度是非稳态的周期性变化，然而填充层内导热过程为简化计算，沿热源流动方向按照一维稳态计算。
（3）地板表面与室内
地板填充层将热量进一步传热，直至地板的上表面与室内空气进行对流辐射换热，其中包括：地面与室内其他围护结构内表面的换热、地面与人体的换热、地面与空气的换热等。由于地板是室内空间的加热热源，因此室内其他围护结构可以视为单一表面，实际仅考虑地面对单一表面的换热量，其中最主要的换热方式是辐射换。
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.2 农宅热环境评价参数
2.2.1 室内温度静态评价参数
（1）温度波动性
受地板热传递的影响，农宅室内温度的变化在各高度处不同，容易形成分层现象。尽管地板对室内气温波动相较于其他末端辐射设备小，但是当地板末端不断启停时，室内温度仍具有明显波动性。
（2）温度不均匀性
为反映出高度对气温的影响，即反应气温的不均匀性引入不均匀系数法进行计算判断。该方法设置不同高度处的测点，测得温度后计算其算数平均值，后对算术平均值计算方根偏差。
2.2.2 室内温度动态评价参数
采用“时间常数”概念对室内温度进行动态分析，时间常数是表示温度响应速度的常数，在传热学中当物体采用集中参数法分析温度与时间依变关系时，定义为构建构件热容与表面换热条件作除，比热容越大温度变化越慢，气温响应越慢；反之表面换热条件越好，单位时间传递热量越多，气温响应越快。时间常数变化表征农宅的热稳定性以及受到外界影响的敏感程度，侧面体现地板末端蓄放热对房间的延迟作用。
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第三章 农宅基础模型建立及验证 ................................ 31
3.1 模型建立依据 .................................. 31
3.1.1 呼和浩特市的室外空气温度 ............................ 31
3.1.2 呼和浩特市的太阳辐射规律 ........................... 32
第四章 呼和浩特农宅地板蓄放热规律解析 ....................... 58
4.1 输入温度对地板蓄放热的影响 ............... 58
4.1.1 地板表面温度分析 .................................. 59
4.1.2 地板内部温度均匀性分析 ....................... 59
第五章 地板运行方式对室内热环境的影响及优化研究 .................... 85
5.1 地板间歇运行方式 ........................... 85
5.1.1 室内瞬时温度响应 ................................ 85
5.1.2 间歇运行方式设置 .................................... 86
第五章 地板运行方式对室内热环境的影响及优化研究
5.1 地板间歇运行方式
上一章对通过地板的蓄热计算，筛选出最优结果，作为本章研究基础。本章研究针对地板实际运行，利用房间空气温度变化衡量房间的热舒适。为实现地板运行期间能源的节约，同时满足室内热需求，在间歇运行条件下，研究室内空气温度随时间变化，利用火积耗散原理优化地板运行过程的耗能。
5.1.1 室内瞬时温度响应
影响房间气温的发热源包括人体、设备、照明，本研究为真实反映在实际室外气温条件下，地板运行对室内热环境的影响，因此在地板运行阶段仅考虑地板以及室外气温对室温的影响。根据第三章设置的模型以及相关参数，以及第四章模拟筛选出各因素的最优组合，对室内模型模拟得到地板试运行下房间的基础室温，如图5-1。
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从表5-1中看出不同高度处的温度波动处在较低范围，说明地板作为房间的发热源可以减少室内温度波动过大，使气温平稳上升。从表中可以看出加热2h条件下室内空气温度的时间常数，据地板3100mm点温度未到达温度最大值，因此不计算时间常数，据地板200mm的点温升温所需要的时间比平均室温早10.56min。
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结论与展望
混凝土地板作为严寒地区农宅冬季取暖设施，研究运行能力与运行方式是满足室内热舒适的重要途径，如何充分利用地板的蓄放热能力是基础研究中的重要问题。本文使用数值计算方法，混凝土地板为研究对象，以混凝土地板在呼和浩特农宅的实用性为切入点，对呼和浩特地区现有农宅进行统计分析，并将其作为模拟的原型，利用Ansys Fluent软件模拟分析了四种因素对于混凝土地板蓄放热的影响，并量化了各因素下地板蓄热能力。采用三种地板运行方式，对不同运行方式下室内热环境动态特性进行了分析。本文主要结论如下：
（1）梳理地板热传递过程，发现地板热量交换经历热源—管壁—填充层—地板表面—室内空气几个过程，涵盖了对流、导热、辐射三大热传递方式。基于这种热传递路径，发现地板的蓄热与放热状态受多个过程影响，而热量在管壁—填充层—地板表面三个过程中维持蓄放热状态久，因此简化计算得到地板蓄热量的表达式。
（2）依据数值模拟法的研究思路，确定了呼和浩特农宅原型，以此建立了农宅单元与地板的二维瞬态模型，经模拟发现两模型使用不同步长，使温度曲线呈规律性分布，时间步长越大的模拟得出的曲线越陡峭，即温度上升随步长增大而增大，因此依据两模型选择9s时间步长，同时与实验结果验证后发现误差小于5%。
（3）通过蓄热量的计算，发现四种因素对地板蓄热影响由大到小为，输入温度>填充层厚度>填充层混凝土材料>水流速，并且水流速对地板的影响仅在加热30min内。输入温度46℃总蓄热量986.675KJ，填充层矿渣混凝土材料总蓄热量为968.294KJ，0.3ms水流速总蓄热量976.72KJ，50mm填充层厚总蓄热量968.294KJ，且四种因素共同作用下地板达到稳定运行状态约为4.3h。
参考文献（略）