内嵌管式围护结构的瞬态传热模型及实验研究

内嵌管式围护结构可以充分依赖管内循环冷/热水与内嵌管道壁面的大接触面积的特点在低温差传热条件下实现大的热量传递，以充分利用低品位可再生能源，削弱室外气候对室内环境的影响，对建筑节能及可再生能源利用具有重要意义。本课题提出采用频域有限差分法研究内嵌管式围护结构在室外温度，室内温度及管内循环水外扰作用下的频域热特性；建立这种结构的动态热网模型，并采用现代辨识理论根据频域响应热特性对该模型的参数进行辨识；建立基于传热单元法的内嵌管道循环水与结构本体换热的热交换模型，并与动态热网模型耦合求解；建立这种结构的热特性测试实验平台，通过实验验证这种结构的热特性理论分析方法及模型。基于上述基础研究，进而研究这种结构的节能潜力及其对室内热环境的影响、这种结构在不同气候地区的适应性及设计理论与方法。

建筑能耗的不断攀升与能源的匮乏使得人们越来越注重去开发新的手段，新的技术去节约能源。内嵌管式围护结构是一种新型的建筑围护结构。该结构是一种在墙体/屋顶内预埋管道利用管道内流体循环在墙体内部实现冷热量转移的建筑围护结构。由于该结构具有良好的蓄热性能及管内冷/热水与管壁面的大接触面积的特点，因此可以在低温差传热条件下实现大的热量传递，从而可以充分利用低品位能来大大削弱室外气候对室内环境的影响，减少室外向室内的传热，实现节能并提高室内热舒适性。项目主要的研究内容与结果如下：.第一：采用CFD数值模拟的方法，建立了内嵌管式围护结构和传统墙体的CFD模型，并使用该模型研究了内嵌管式墙体以及传统墙体在夏热冬冷地区气候条件下的传热特性，研究结果表明：内嵌管式围护结构可以大大的减少室外向室内的传热量及墙体蓄热量，降低了夏季/冬季时的室内冷/热负荷，并提高热舒适性。.第二：首次提出了内嵌管式围护结构的频域有限差分模型(即FDFD模型)以研究该结构在不同频率外扰作用下的热特性。并采用了CFD模型作为参照模型。两个模型的计算结果表明FDFD模型比CFD模型更直观，FDFD模型可以直接反映系统频域热特性，CFD模型只能计算出系统的时域热特性，因此FDFD更加方便进行系统的频域热特性分析，并且FDFD模型在计算相同的工况时花费的时间比CFD模型少很多。.第三：首次提出内嵌管式围护结构的简化热网模型(RC模型)并在频域内对其参数进行辨识。为了解决辨识RC模型参数，以内嵌管式围护结构频域有限差分模型(FDFD模型)作为理论模型，通过遗传算法(GA)辨识了内嵌管式围护结构的RC模型的参数(热阻和热容)。结果表明基于理论模型的计算结果，当权重系数取值为1时，通过遗传算法可以很好的辨识出内嵌管式围护结构简化热网模型的参数。.第四：首次提出了内嵌管式围护结构的准动态模型。该模型由简化热网模型和热交换模型(Number of Transfer Units 模型，简称NTU模型)两个部分耦合组成。通过该模型可以计算内嵌管式围护结构沿着内嵌管道方向的传热，预测流体的出口温度。本文以CFD模型作为参照模型对该准动态模型进行了验证。结果表明内嵌管式围护结构的准动态模型具有更强的使用性，更高的效率。.第五：搭建了内嵌管式围护结构的实验平台，根据实验测量数据对模型进行了验证。结果表明简化方法和准动态模型都是正确的。