外层定型相变与内嵌管式通风屋面的主动隔热与蓄冷机制研究

Outer-layer shape-stabilized phase change and pipe-embedded ventilation roof is a building roof construction that sets shape-stabilized phase change material on the roof outer surface, and uses air for ventilating through the duct embedded in the cast-in-place roof or the cavity of the precast concrete hollow-core slab in summer. The solar radiation is decreased significantly during the daytime and the ventilation cooling capacity can be stored at night by full use of the thermal storage performance of the phase change material and concrete roof. A simplified dynamic thermal network model of the roof is established using resistance-capacity network method, a two-dimensional unsteady theoretical heat transfer model of the roof is established using the finite difference method to analyze the dynamic temperature distribution and heat transfer characteristics and determine the frame and values of resistances and capacities for the simplified dynamic thermal network model; the heat exchange model of air flow and structural body is established further based on the NTU method, coupling with the simplified dynamic thermal network model and a quasi-dynamic heat transfer model is formed, the thermal insulation and cool storage performance of the roof is analyzed. Experimental platform for the thermal response is established, which is used to verify the accuracy of the quasi-dynamic heat transfer model. Based on the above fundamental research, the thermal performance and influencing factors of the roof, as well as the effect on annual energy consumption for air conditioning，are further analyzed, the suitability and design theory and method of this roof are obtained for different climate zones.

外层定型相变与内嵌管式通风屋面是一种在屋面外层设置定型相变材料，在现浇屋面板内预埋通风管道或直接利用预制混凝土空心板的空腔进行夏季通风的屋面，充分利用相变材料和混凝土屋面的蓄热性能，大幅削弱白天太阳辐射得热并存储夜间通风冷量，从而降低空调负荷。采用热阻热容网络法建立该屋面结构的简化动态热网模型，采用有限差分法建立该屋面结构的二维非稳态理论传热模型，分析其动态温度分布特性及热流传递特性以确定简化动态热网模型的结构及热阻热容参数值；进一步采用传热单元法建立空腔气流与结构本体的热交换模型，并与简化动态热网模型耦合为准动态传热模型，分析该屋面结构的隔热和蓄冷特性。搭建热特性测试实验平台，实验验证准动态传热模型的准确性。基于上述基础研究，进一步研究该屋面结构的热工性能和影响因素，及其对建筑全年空调能耗的影响，得到该屋面结构在不同气候区的适应性及设计理论与方法。

本研究提出外层定型相变与内嵌管式通风屋面结构，充分利用相变材料的蓄热性能，大幅削弱白天太阳辐射得热对室内环境的影响，利用夜间通风带走相变材料凝固过程释放的冷凝热并存储夜间通风冷量，从而降低空调负荷。采用了CFD数值模拟的方法对该结构典型设计日的传热特性进行了模拟研究，采用热阻热容网络法建立该屋面结构的简化动态热网模型，采用有限差分法建立该屋面结构的二维非稳态理论传热模型，分析其动态温度分布特性及热流传递特性以确定简化动态热网模型的结构及热阻热容参数值；进一步采用传热单元法建立空腔气流与结构本体的热交换模型，并与简化动态热网模型耦合为动态传热模型，分析该屋面结构的隔热和蓄冷特性。搭建热特性测试实验平台，实验验证了动态传热模型的准确性，实验分析了该结构在不同通风速度的传热特性。进一步将该动态传热模型耦合到TRNSYS模拟软件中，计算采用该种屋面结构的建筑的全年空调冷负荷，研究该屋面结构的热工性能和影响因素及其对建筑全年空调能耗的影响，以全年空调冷负荷最低为目标进行不同气候区该结构的优化设计，得到该屋面结构在不同气候区的适应性及设计理论与方法。夏热冬暖、夏热冬冷、寒冷地区及严寒地区最佳相变层厚度为40~50 mm、30~50 mm、30~40 mm、30~40 mm，最佳想变温度分别为34~36℃、35-38℃、34~36℃、31-34℃，适宜的通风速度为3~4m/s、2.5~3.5m/s、3~4m/s、3~4m/s，建筑空调期累计冷负荷节能量分别为684.9kWh、505.6 kWh、470.8 kWh、158.4 kWh，降低率分别为45.0%，37.7%，66.9%、83.3%，节能潜力巨大，适用于我国各气候区。相变材料应用于屋面结构可显著降低内表面温度波幅。夜间通风对室内热环境和屋面结构的降温效果明显，通风速度为3m/s工况下建筑空调期累计冷负荷比非通风工况降低22.9%，相变材料的潜热利用率增加6%以上，证明了夜间通风可带走大量的冷凝热并续存夜间冷量。这些研究揭示了外层定型相变与内嵌管式通风屋面的隔热与蓄冷机制，研究结论对外层定型相变与内嵌管式通风屋面结构的应用推广具有十分重要的指导意义。