围护结构是影响空调、供暖能耗的关键因素,提升围护结构的传热性能,有助于降低负荷,进而减小建筑能耗。在建筑外围护结构中预留空气夹层能够提高其传热热阻,或在围护结构中实现被动式冷却、热风供暖、自然通风及新风供应等不同功能,所以受到越来越广泛的应用。但由于目前缺少针对空气夹层的基础理论研究,导致围护结构中空气夹层的节能设计,缺少理论依据,强化或弱化夹层内空气的流动换热过程,缺少运行指导策略。本文从揭示围护结构中空气夹层内部流动和传热机理入手,利用数值模拟方法,分析空气夹层内部的流动和传热特性,提出不同夹层特征内的流态判定准则,并给出空气夹层传热优化的依据及方向。针对空气夹层的流动问题展开研究,基于涡量-流函数模型,对不同尺寸及不同Ra数下,空气夹层内的流通工况进行了模拟计算,通过分析夹层内部空气流动特征随Ra数的变化发展趋势,提出了不同几何特征下基于Ra数的流态判定依据,并对围护结构空气夹层内的流态进行了判断。建立了封闭夹层内空气层流自然对流和辐射耦合传热模型,通过计算分析了夹层中对流和辐射换热量各自所占比例及其变化规律,结果表明,辐射换热所占的比例在60%以上。夹层的高度、宽度、倾斜角度、壁面温差及表面发射率均会对传热产生影响;可通过优化夹层宽度和降低表面发射率来抑制封闭夹层的热量传递。对于高度为0.8-1.5m的封闭夹层,其最佳宽度为20mm。通过紊流自然对流和辐射耦合传热模型研究了流通夹层内部的空气流动特性,考察了流通夹层的空气流量、温升及其影响因素,发现壁面热流对流通内空气的加热作用仅发生在壁面附近区域;夹层高度、宽度、热流密度及夹层与水平夹角的增加,均会增加通过夹层的空气流量,但温升会随宽度及夹角的增加而降低。对于高度为2-4m的流通夹层,用于热风供暖时宽度不宜大于0.2m;用于通风时最佳宽度为0.6m。利用得到的空气夹层内自然对流流动和换热的相关理论,对多玻窗、Trombe墙和外墙式太阳能烟囱等在寒区建筑中的典型应用工况,进行了模拟,分析了空气夹层结构的性能及影响因素,给出了寒区多玻窗、Trombe墙和外墙式太阳能烟囱的设计及运行策略。基于空气夹层墙体与室内空间共轭传热问题的整体式求解法,完成了封闭夹层及流通夹层墙体共轭问题的求解,分析了空气夹层的应用对室内环境和气流分布的影响。相对于普通房间,围护结构中采用封闭空气夹层时,能有效提高墙体保温隔热性能;当形成流通的空气夹层时,能通过热风供应提高室温和墙体内壁面温度,所以能有效改善室内热环境。采用实测和CFD数值模拟相结合的方法探讨了太阳能热风墙用于寒区农宅时,对冬季室内热环境的改善程度,结果显示太阳能热风墙的三种热风供应模式能够提升室内温度、降低温度波动。提出了采用CCP局部供暖结合太阳能热风墙的联合供暖方式,模拟分析了该方式的供暖效果。本文的研究工作,不仅能够丰富空气夹层围护结构保温隔热技术的应用方式,为外围护结构的节能提供新的思路和方法,还能够对建筑被动式节能方法及理论进行补充,具有重要的理论价值和现实意义。研究结果还适用于其他包含空气夹层的结构或设备,具有普遍的的理论指导意义。