被动式建筑内围护结构蓄热性能评价及设计指导

论文摘要

可再生能源在建筑采暖中的应用受到越来越多的关注。利用太阳能的直接照射实现建筑采暖的被动式建筑得到了广泛应用，尤其是在我国西北等太阳能资源丰富化石能源紧缺的地区。然而，由于太阳能随时间变化剧烈，被动式建筑必须有蓄热功能以调节室内温度因太阳能引起的波动。建筑围护结构蓄热材料种类繁多，包括热物性参数基本不随温度变化的常物性材料，以及在相变温度段具有大潜热的相变材料。这些蓄热材料的建筑应用也已有不少模拟和实验研究。然而，这些研究都是基于案例的“点对点”分析，得到的结论不具普适性。本文主要研究内容与学术贡献如下：建立蓄热材料质点模型，得到蓄热材料显性化的调温本质规律，即蓄热材料总的调温力度取决于材料的焓变，而蓄热材料对温度满足度的改善力度还取决于材料的比热特性。提出调温完善度作为材料蓄调温性能的评价指标，以调温完善度最大为目标优化蓄热材料非线性比热，得到最优比热函数形式为δ函数，特征温度为热舒适温度区间的下限温度，材料总焓值为当量总热扰环境温度的不舒适度时数与材料表面积及对流换热系数的乘积。对被动式建筑模型进化简化，分析得到内围护结构最优比热为温度的分段函数，接近δ函数形式，并通过反问题数值优化证实了该结论。从而说明，相变材料热物性为建筑蓄热围护结构较为理想的热物性，为相变材料在建筑中的应用提供理论依据。分析被动式建筑内围护结构相变调温特性，得到相变材料最优相变温度及相变潜热的显性表达式，该表达式可方便的应用于不同地区相变材料的热物性设计指导。提出相对节焓率及相对节量率以评价相变材料相对于常物性材料的应用优势，并对全国不同地区使用相变材料的优势进行了评估，发现相变材料在北京、上海及拉萨地区具有显著的应用优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 被动式建筑围护结构蓄热研究背景和意义
• 1.1.1 利用自然能源实现建筑采暖
• 1.1.2 利用围护结构蓄热改善被动式建筑室内热环境
• 1.2 被动式建筑围护结构蓄热研究现状
• 1.2.1 蓄热性能研究
• 1.2.2 现有研究局限性
• 1.2.3 反问题思想引入
• 1.3 研究思路与内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 蓄热材料显性化调温性能评价与优化
• 2.1 调温性能的本质规律
• 2.1.1 质点模型
• 2.1.2 调温作用的显性化研究
• 2.2 调温性能评价
• 2.2.1 评价指标
• 2.2.2 非线性比热优化
• 2.3 非线性比热材料应用效果
• 2.3.1 评价体系的完善
• 2.3.2 敏感性因素分析
• 2.4 小结
• 第3章 被动式建筑内围护结构蓄热模型
• 3.1 详细房间模型
• 3.1.1 模型介绍
• 3.1.2 模型验证
• 3.2 “双板”模型
• 3.2.1 模型介绍
• 3.2.2 模型验证
• 3.3 简化分析模型
• 3.3.1 模型介绍
• 3.3.2 模型验证
• 3.4 小结
• 第4章 被动式建筑内围护结构非线性比热优化
• 4.1 非线性比热优化问题
• 4.1.1 优化目标
• 4.1.2 问题描述
• 4.2 蓄热性能简化分析
• 4.2.1 问题分析
• 4.2.2 非线性比热优化
• 4.3 非线性比热反问题优化
• 4.3.1 优化方法
• 4.3.2 优化结果
• 4.4 小结
• 第5章 被动式建筑内围护结构相变材料设计与应用
• 5.1 相变内围护结构热性能评价与优化
• 5.1.1 优化方法
• 5.1.2 优化结果
• 5.2 相变材料热物性设计指导
• 5.2.1 优化原则应用
• 5.2.2 全国不同地区相变材料设计指导
• 5.3 相变材料应用优势评价
• 5.3.1 评价方法
• 5.3.2 全国不同地区相变材料应用优势评估
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果