光热作用下PV-ETFE气枕热环境动态模型与结构分析方法研究

ETFE (ethylene tetrafluoroethylene) cushion integrated photovoltaic (PV-ETFE cushion) is low-energy consuming, sustainable and environment-friendly building integrated photovoltaic (BIPV). Because dynamic photovoltaic effects significantly influence mechanical properties of ETFE foils, thermal environment and structural behavior of ETFE cushions, existing constitutive model of ETFE foils and structural analysis methods for conventional ETFE cushions are not appropriate for PV-ETFE cushions. For common and specific problems of PV-ETFE cushions, dynamic performance and analysis methodology are presented in this study. Main research topics include analyzing thermal mechanical properties and time-temperature superposition of ETFE foils with dynamic mechanical experiments and creep experiments, establishing environmental dynamic model of PV-ETFE cushion considering dynamic photovoltaic effects, proposing methods for structural behavior based on temperature-fluid-structure interactions, and validating theory and methods with the help of field experiments on prototypes. This research aims at the state-of-the-art area of building and energy in order to reveal inner mechanism of thermal mechanical properties, thermal load distribution and structural behavior and to obtain theory and analysis methods for understanding system performance of this PV-ETFE cushion structures. Generally, this study could provide a positive addition for development and application of PV-ETFE cushions.

PV-ETFE气枕建筑是低耗能、可持续和对环境友好的光伏一体化建筑。由于PV（太阳能电池）的动态光热效应显著改变ETFE薄膜力学特性、气枕热环境和热结构特性，既有ETFE薄膜力学模型与结构分析方法不适宜分析PV-ETFE气枕结构特性。针对PV-ETFE气枕体系的共性和特殊问题，本项目将研究光热作用下气枕的动态性能和求解方法，包括：通过ETFE薄膜的DMA试验和高温徐变试验，分析ETFE薄膜热-力学性能与时温等效性能；考虑PV光热效应的动态作用，建立气枕热环境动态模型；提出基于热-流-结构相互作用的结构特性分析方法，进行气枕模型试验验证理论和方法的正确性。本项目瞄准该领域国际前沿，旨在揭示材料热-力学性能、热荷载分布和结构特性的内在作用机理，掌握PV-ETFE气枕结构设计分析理论方法，促进PV-ETFE气枕发展应用。

太阳能电池（Photovoltaics，PV）与ETFE气枕结构结合的建筑是低耗能、可持续和环境友好的光伏一体化建筑结构。利用PV光电光热性能将太阳能转化为电能和热能，电能供建筑使用而热能用于改善建筑热性能，进而形成绿色可持续膜建筑，从建筑角度改善能源短缺和环境污染。PV动态光热效应显著改变ETFE薄膜力学特性、气枕热环境和热结构性能。因此，既有ETFE薄膜力学模型与结构分析方法不适宜计算PV-ETFE气枕建筑及结构性能。.本项目以PV-ETFE气枕建筑存在的共性和关键科学问题为核心，针对三个主要方面：光热作用下气枕热环境动态变化机理及其模型；热-流-结构作用PV-ETFE气枕力学特性；典型天气下PV-ETFE气枕建筑系统性能研究。分析了ETFE薄膜热-力学和高温徐变性能、建立了PV-ETFE气枕热环境动态模型、提出了PV-ETFE气枕结构的非线性分析方法等，旨在揭示材料热-力学性能、热荷载分布和结构性能的内在联系，为PV-ETFE气枕结构计算提供准确可靠的解决方法。.本项目取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等概括如下。通过分析ETFE气枕建筑内空气温度场和速度场等，建立了ETFE气枕建筑热环境动态模型，为气枕结构力学分析提供荷载基础；基于ETFE薄膜热-力学性能和高温徐变性能，发现并验证了材料时间温度等效特性，分析了PV-ETFE气枕结构力学；改造了已有气枕屋顶模型，基于三维全景方法测量的气枕形状计算了结构真实的应力场和应变场；通过对比试验和数值结果，验证了所提出方法的正确性。解决了PV-ETFE气枕热环境动态作用机理和热-流-结构耦合作用两个关键问题。.其科学意义或应用前景为建立了考虑光热作用和ETFE热-力学特性的PV-ETFE气枕结构的非线性分析理论，掌握了平面气枕弹塑性机理及其快速成形技术。该理论和技术将促进PV-ETFE气枕建筑结构在体育馆、航站楼、温室等大跨空间结构中的应用。