基于非平衡理论的相变围护结构热工设计及性能研究

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面对传统能源日益匮乏与建筑快速发展对能源需求旺盛的矛盾,针对不同地域的经济发展水平、太阳能资源及气候特点,对建筑围护结构进行科学合理的热工设计是很有必要的。相变材料具有蓄能密度大、温度变化小的特点,相变蓄能墙板的使用可以充分利用太阳能资源,降低室内温度波动,提高居住建筑的室内热环境质量。  本文利用理论分析和数值模拟的方法对太阳能资源丰富的地区进行了围护结构热工设计改进,同时解决相变蓄能墙板蓄传热特性、热物性选择及适宜应用范围等问题,最后对建筑热工中保温层设计和相变墙板传热之间的定性关系进行了研究,研究得到的主要成果为:  (1)根据等热流原则对太阳能资源丰富地区的建筑围护结构进行了非平衡保温节能构造设计,其中北向外墙加强保温,南向外墙削弱保温,东西向外墙保温介于两者之间,并给出了非平衡保温构造中外墙传热系数限值确定的方法。通过程序模拟了采用非平衡保温构造的应用效果,各朝向外墙内表面温度均升高,南北向外墙内表面温差减小,室内空气平均温度升高。  (2)对应用于建筑围护结构中的相变材料种类与优缺点、相变材料与围护结构复合方法、热工测试方法等进行了总结归类,选择适合本课题研究的相变材料为石蜡,热工测试方法为差示扫描量热法;列举了建筑围护结构中常用的相变材料,为工程选择提供参考。  (3)对相变蓄能围护结构的蓄传热特性进行分析,指出相变材料的应用效果与建筑热工参数有一定的关联性。编制了基于焓法模型的相变墙板传热和房间传热的计算程序并进行验证,以拉萨地区为例分析了相变材料热物性对相变蓄能墙板热性能的影响,并给出了相变墙板的适宜应用范围和关键物性参数。  (4)以室内过冷不舒适度为目标,通过改变不同朝向外墙保温层厚度,分析了建筑热工中保温层设计和相变墙板传热之间的定性关系。外墙保温层的厚度影响相变墙板的蓄放热过程,保温层越厚,相变材料的使用率越高;单纯增加布置了相变墙板的外墙保温层厚度,当增加到一定程度时,与同时增加所有朝向外墙保温层厚度应用效果相同。非平衡保温构造形式下相变墙板的利用可以减少保温层的总厚度。  本文的研究为建筑围护结构热工设计和改进指出了新的方向。
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