摘 要

有效合理高效地利用开发地下空间，不仅能提高人类对土地资源的利用程度，还对现代化城市具有重要的意义。随着建筑行业的高速发展和日益增长的对土地资源的需求量，对地下装配式建筑的发展和研究也日益深入，地下装配式建筑不同于传统建筑，由于常年处于地面下，它的蓄热性和热稳定性都比传统建筑好更多，兼具天然空调的功能，但是也正因为处于地下的原因，建筑室内也十分潮湿。因此，对于地下装配式建筑室内的热环境越来越受到人们的关注。

本文是对浅层地下装配式建筑的热环境进行研究。目前，对于地下装配式建筑的研究主要是分析影响浅层建筑室温温度的各种因素。浅层土壤的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，影响传热过程的因素众多，工程埋深变化、土壤热特性参数、气象参数、工程断面形状等都将会直接影响着围护结构传热量从而导致建筑室内温度的变化。可以利用DEST软件数值模拟不同影响因素对室温的影响。

在本文模拟过程中，主要针对工程埋深、土壤的热特性、工程断面等三个方面分析了对地下装配式建筑室温的影响。首先分析了地下装配式建筑的热工特性，并建立土壤温度的计算模型，确定了边界条件，简化了计算模型，利用模拟的结果进一步对地下装配式建筑热环境特点进行研究，分析各类影响因素，根据人体的热舒适性来针对温湿度提出舒适性优化的方法，得出结论。

关键词：地下装配式建筑；土壤温度；模拟；优化分析；

Abstract

The effective, rational and efficient use of the development of underground space can not only increase the degree of human use of land resources, but also has an important significance for modern cities. With the rapid development of the construction industry and the increasing demand for land resources, the development and research of underground prefabricated buildings has become more and more in depth. The underground prefabricated buildings differ from traditional buildings in that they are stored under the ground for a long time. Both sex and thermal stability are much better than those of traditional buildings, and they have the function of natural air conditioning. However, because of the underground conditions, the interior of the building is also very humid. Therefore, more and more attention has been paid to the thermal environment of the underground prefabricated building.

This article studies the thermal environment of shallow underground prefabricated buildings. At present, the research on the underground prefabricated buildings mainly analyzes various factors that affect the room temperature of shallow buildings. The heat transfer process of shallow soil is a complicated and unsteady heat transfer process. There are many factors affecting the heat transfer process. The depth of the project, soil thermal parameters, meteorological parameters, and the shape of the engineering section will directly affect the surrounding area. The heat transfer capacity of the protection structure leads to a change in the temperature of the interior of the building. DEST software can be used to simulate the effect of different influencing factors on room temperature.

In the simulation process of this paper, the impact on the room temperature of underground prefabricated buildings was analyzed mainly in terms of engineering depth, soil thermal properties, and engineering sections. Firstly, the thermal characteristics of underground prefabricated buildings were analyzed, and a calculation model of soil temperature was established. The boundary conditions were determined, the calculation model was simplified, and the thermal environment characteristics of underground prefabricated buildings were further studied using simulation results to analyze various types of impacts. Factors, according to the thermal comfort of the human body to bring comfort and optimization methods for temperature and humidity, draw conclusions.

Keywords: Underground assembly building; soil temperature; simulation；Optimization Analysis；

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 IV

第1章 绪论 1

1.1地下装配式建筑概述 1

1.2研究背景及意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.3.1国外研究 2

1.3.2国内研究 3

1.4研究内容 3

1.5本章小结 3

第2章模拟的基础知识理论 4

2.1热环境基础理论 4

2.2 DEST软件知识 7

2.2.1DEST概述 7

2.2.2DEST的结构 8

2.2.3DEST功能和应用 8

2.2.4DEST求解与模拟 9

2.3模拟的基础知识 5

2.3.1热过程模拟的物理模型 5

2.3.2热过程模拟的数学模型 6

2.4本章小结 8

第3章数值模拟 10

3.1数值模型 10

3.2建筑物的物理模型 10

3.2.1空间几何模型 11

3.2.2边界条件的设定 14

3.3模拟的结果分析 14

3.3.1工程埋深造成的影响 14

3.3.2土壤热特性造成的影响 16

3.3.3工程断面对传热的影响 17

3.3.4其他不同工况的影响 18

3.3.5不同地区对建筑室温的影响 19

3.4本章小结 20

第4章环境优化 22

4.1人体的热舒适性 22

4.2热环境优化措施 23

4.2.1防热任务及优化 23

4.2.2地下建筑防潮与除湿 24

4.3本章小结 25

第5章结论 26

5.1结论 26

5.2展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 地下装配式建筑概述

地球表面下是一个非常厚的岩石圈，岩石风化为土壤，形成不同厚度土层，覆盖地球表面，各种建筑物和岩石或土壤中建造的结构被称为地下建筑物，其中一小部分地面建筑的地下室显示地面，其余地面建在地下。 建筑也在岩石和土壤中，被称为半地下建筑。^【1】。

随着现代建筑技术的发展，房屋的建造不再像传统建造手段那样耗时耗力，人们可以将建筑构件在车间内预制好，运到工地上直接装配就可以把建筑物组装起来，这样的建筑称为装配式建筑。装配式建筑也能在地下空间内使用，由于建造速度快，生产成本低，地下装配式建筑很快流行起来。

地下装配式建筑具有优秀的防护性能和“天然空调”的作用，它的热稳定性和密闭性也非常优秀，对经济、社会、环境等多方面都有不可估计的效益。由于处于一定厚度的土壤或岩层中，地下装配式建筑可免遭或减少包括核武器在内的武器的破坏，同时还能有效地抵御飓风、地震等自然灾害，而且它具有的封闭环境和较为稳定温度变化对要求特别高的生产环境和贮存环境都十分适合。

在远古时期，人类就已经开始利用天然洞穴为自己遮风挡雨，并在其生活繁衍。之后发展到自己开挖掘窑洞或搭建简单的建筑物并在其中生活。步入工业社会，人类开始学会利用地下空间并进入了新阶段。它始于地下铁路的建设和解决城市交通问题，世界上第一个地下建筑就是英国伦敦建造的第一条地铁^【2】。到了二十世纪初工业革命的崛起使得工业生产发展迅速，这样工业生产也开始出现在地下建筑中，并获得了初步不错的效果。在二次世界大战结束以后，许多经受战争洗礼的国家从战争年代吸取了经验教训，根据自己国家的需要，大力发展修建地下建筑。这时候经济全球化使各国的各项技术也得到了交流与发展，关于建筑施工的技术得以快速发展，也使得工程造价的大幅度降低，加上通风空调系统技术的兴起和应用，让地下建筑环境的改善有了新的曙光，进一步推动了地下装配式建筑的迅速发展。随着人们生活水平的日益提高，人们对地下建筑内部环境要求也越来越高。地下建筑环境包括了热湿环境、空气品质环境、噪声环境、光环境和色彩环境等，这些共同组成了人类生活的内部环境，它直接影响着其内人员的舒适度、心理状况以及地下建筑功能的利用程度。作为建环专业的一员，就得让地下建筑的环境达到人们生活的要求。本文就是通过对地下建筑的热环境模拟和进行具体的评估并对环境优化做出探讨。

1.2研究背景及意义

建国以来，我国的人口高速增长，对建筑的需求量也成倍增加，加上近年来世界经济发展迅速促使城市化进程加快，社会生产力巨大发展的同时，也衍生出各种棘手的问题，其中城市人口的饱和，交通拥挤、堵塞，建筑空间拥挤，绿化面积减小，等等都显示了人类对土地空间的需求不够，不尽快提高对空间的利用率，问题会越来越严重。因此为了解决日益突出的资源问题满足和经济的高速发展，人们不得不加速开发利用地下空间。我国的地下装配式建筑无论从规模还是应用范围上来讲都有了较高的进步，而且我国人口基数大，人均土地面积是非常小的，就更加需要加大对空间的利用率，就必须开发利用地下隐藏的空间。地下建筑内部环境的质量直接关系到人们生理健康和心理健康，所以良好的室内环境对人的健康至关重要。本次研究的对象就是地下装配式建筑室内热环境，热环境的评价标准是人的舒适程度，室内环境质量的高低影响着人们日常生活，身体健康工作学习效率等，为了能让人们能能够在地下舒适地生活，就必须使地下空间环境接近地面空间环境，就需要对地下建筑热环境进行研究，得到人类适应的地下温度变化范围。

1.3国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

国外地下建筑开发利用最早并在其取得了较好的优异的成绩的国家有日本、美国和瑞典。在日本，单一的地下街道规模越来越大，设计指标越来越高，在规划设计中形成了一套更加完善的开发利用体系。美国拥有世界上运营最长的地铁，地下通道也很好解决了人、车分流问题。瑞典的地下排水系统在世界上处于领先地位，它城市的排水系统和污水处理系统全都设在地下。

在热环境研究领域，Saba Saneinejad等提出了模拟干燥过程的两步法，然后应用于研究方形街道峡谷中的两个垂直墙。 模拟结果揭示了使用CHTC和CMTC捕捉墙壁不均匀干燥的位置的重要性，它显示了在炎热气候下冷却湿壁的可能性。由于浅层地下建筑的环境变化是动态的，需要利用计算机与数值计算对其进行模拟，CFD技术就这样应运而生，如Thom在1933年就建立了二维粘性流体偏微分方程，并通过数值方法对其进行求解；P.V.Nielsen在1974年建立了封闭二维流动方程，并通过利用流函数和旋涡公式进行求解^【3】。

1.3.2 国内研究现状

国内对地下建筑热环境的静态研究已经非常深入，而且由于过程复杂的影响，动态过程往往需要通过计算机数值模拟来计算。 一些特定的仿真软件可以用来模拟不同环境空间中的三维速度场，温度场和压力场。在动态过程研究工作上，有许多的前辈早已经做了相关研究，得出了一些对研究传热传湿有巨大帮助的结论：在对地下建筑物传热与湿度传递进行分析的基础上，西安建筑科技大学赵宏佐总结了地下建筑物通风热量的计算公式；西安建筑科技大学的张强也做过洞库不稳态传湿过程的数值分析；昆明勘测设计研究院的朱世琦针从理论和实验上研究了漫湾水电站坝体廊道的温降效应；清华大学蒋毅在运行条件下对北京地铁的气温进行了计算机分析。^【2】重庆建筑工程学院对地下建筑围护结构的传热与湿度传递进行了理论与实验验证，得到水蒸汽渗透的存在对围壁温度变化影响不大的结论。^【4】，因此在本文研究地下建筑的围护结构传热时不考虑湿传递对其造成的影响。

1.4研究内容

本论文旨在通过分析浅层地下土壤温度变化特性，并针对装配式地下建筑在不同环境条件下的热环境特点进行研究，分析地下建筑室内环境影响因素并根据人体的舒适性探讨环境优化的方法。本文的重点是浅层中分析不同埋深深度的土壤温度变化的取值，并以此为标准来研究工程埋深对室内基础温度的影响。首先建立土壤传热的数学模型，然后对传热过程中实际情况对模型进行简化，利用数值计算方法算出具体数值，最后在对环境优化进行分析探讨，得出结论。

1.5本章小结

本章先介绍了本文的研究背景，建筑业的高速发展和人们对土地资源需求的增大引起了人们对地下装配式建筑的关注。开头介绍了地下装配式建筑的概念，然后介绍了研究背景和意义，具体举例了国内外的研究情况，最后说明了本文的研究内容和方法。

第2章 模拟的基础知识理论

2.1热环境基础理论

传热学将传热分为三种基本方式，为热传导、热对流和热辐射这三种。这三种传热方式都有各自的规律。热传导是两介质之间通过接触产生热量的传递，热对流则是流体间的热作用，而热辐射是物体间是以电磁波传播的方式相互交换热能。地下装配式建筑的传热主要是热传导和热辐射两种。在具体研究热传导过程时，学术上引入了热量、热流强度、温度梯度等物理量来量化传热，其中热量是指在一定时间穿过有限面积的热流的数量，热量与温度都是标量，热流强度和温度梯度则是矢量^【5】。

在研究物体传热时，首先需要研究物体内部的温度分布，传热学一般用物体内部的温度场、等温面、等温线来确定物体内部的温度分布状况。所谓的温度场，就是指空间中一切点瞬间温度值的总体，简单来说就是研究中的参考空间每一点的温度值，包括了每一点的变化规律，共同组成温度场；而等温面顾名思义就是温度场内所有具有相同温度点连成的面。等温线则是任一平面同等温面相交得到线。其中温度场又根据场内每一点温度的变化规律分为非稳定温度场和稳定温度场。非稳定温度场中每一点的温度会随着位置和时间而变化，我们称在非稳定温度场内的热传导为属于非稳定热传导过程；稳定温度场内的每一点的温度不随时间的变化而变化，而在其中的热传导过程称为稳定传热过程，浅层地下装配式建筑的温度场就是一个时刻动态的非稳定温度场，传热过程比稳定的温度场复杂。

地下装配式建筑的传热特性与地面的普通建筑不同。地下装配式建筑的蓄热能力强是地面建筑的数倍,而且热稳定性也是其他建筑不可比拟的,具有温度变化幅度小的优点，但是在夏季的时候容易出现室内潮湿的现象，需要对室内进行除湿防潮的处理，本文在最后的优化相关的方法来解决。

在热工计算中, 为方便计计算和模拟，本文将地下装配式建筑的几何尺寸简化成了长方体，因为地下装配式建筑的传热过程是一个非稳态过程，而且建筑室温受多个因素的影响，所以采用单参数法来模拟该因素对建筑室温的影响。从传热方面来说,是否考虑地表面温度年周期性变化对地下建筑围护结构传热的影响,是划分深埋与浅埋地下建筑的主要条件^【2】。根据以往的计算结果表明^【5】,一般当地下建筑埋深深度小于8m时,地表气象参数的周期性变化对地下建筑围护结构传热的影响，本文就是针对地下深度在8M内的研究。

2.2 DEST软件知识

2.2.1 DEST概述

人们对建筑环境的不断提高和建筑能耗的不断增大，在做好满足对建筑环境的要求基础上更低地降低建筑能耗为了建筑可持续发展中人们关心的问题。人们分析建筑能耗的方法一般是模拟建筑和系统的动态过程来初步得到建筑能耗。由此出现了许多的建筑模拟分析软件。主要有DEST、SPARK、TRNSYS等。

其中DEST因其功能的多样和易于操作的特点使其广泛用于国内外地区，DEST是由清华大学自主研发的动态模拟分析软件，为建筑环境模拟提供了更新的方式，为空调系统模拟预测及优化提供了有效的方法，还兼具了分段模拟的优点,DEST有以下特点：

1. 多区域热量和质量平衡算法。 热过程模拟是建筑模拟的基础。 用DeST解决建筑物热过程的方法意味着采用状态空间方法来保持空间上的空间并保持时间上的连续性。 通过求解房间离散点的能量平衡方程，可得到房间对各种热扰动的响应系数，即房间本身的热特性。 然后进行建筑物的动态模拟。
2. 小节设计和仿真。 在开发过程中，DeST结合了实际设计过程的阶段特性。 该模拟分为5个阶段：建筑物热分析，系统方案分析，AHU方案分析，风网络模拟和冷热源模拟，为不同设计阶段提供准确和实用的分析结果。
3. 三维动态热传递算法。 三维动态热传递通常通过简化一维热传递来简化复杂的传热问题，导致计算精度不足，而三维动态热传递算法有效地解决了这一问题。

DEST的发展历史主要经过了3个方面的变化:建筑热过程分析（before 1994）; 空调系统模拟 (1994~1997); 建筑环境仿真(1998~2002)。它是江亿教授以气象参数的模型和空调负荷计算构成了DEST的基础，它是为建筑环境模拟而创建的。 它致力于辅助建筑环境和系统设计，以最低的能源成本满足人们的热舒适要求。 其应用领域包括建筑和空调系统辅助设计，建筑技能评估和研究领域的研究。^【8】。

2.2.2 DEST结构