多外扰作用下双层定型相变围护结构动态传热机理研究

Phase change envelopes can improve indoor thermal environment effectively, reducing building operation energy consumptions and capacity of HVAC system. However, single layer shape-stabilized phase change envelopes can active in one season. Moreover, the capacity of absorbing/releasing heat is limited in buildings with HVAC systems. A novel “sandwich-type” double layers shape-stabilized phase change envelope, improving thermo-technical performance of envelopes around year by absorbing/releasing heat in constant temperature range and with large specific heat, is proposed in this project. The effects on building envelope heat transfer of phase change material thickness、latent heat、phase change temperature、specific heat 、thermal conductivity and so on. The dynamic thermal model considering phase change absorbing/releasing heat and variable thermal physical characteristics is developed. An experiment platform with shape-stabilized phase change envelopes will be built up to carry dynamic thermal performance experiments. In multiple external disturbances of different indoor environment as well as outdoor environment and absorbing/releasing heat of phase change materials, study the heat transfer progress of this envelope theoretically and experimentally. The effect mechanism of phase change material on heat transfer of this envelope is expected to be revealed. The results and findings will provide theoretical foundation for high-performance building envelopes.

相变围护结构可有效改善室内热环境并降低建筑运行能耗，减小暖通空调系统装机容量。针对现有单层定型相变围护结构只能在单个季节发挥作用，以及在使用了暖通空调系统建筑中存在吸/放热能功能受限的不足，本项目提出新型“三明治式”双层定型相变围护结构，利用其近似等温吸/放热及相变潜热较大的特点可全年改善围护结构热工特性。本项目将从理论上分析相变材料厚度、相变潜热、相变温度、比热容、导热系数等因素对围护结构传热的影响；建立考虑相变吸/放热及热物性参数变化的动态传热模型；搭建双层定型相变围护结构实验房，进行动态热特性实验；在不同室外环境、室内环境及相变材料吸/放热多外扰作用下，模拟和实验研究该结构传热过程的规律，揭示相变材料对该结构传热过程的影响机理，为发展高效围护结构提供理论支持。

我国建筑能耗不断攀升，到2030年，建筑能耗比例将升至约40%。提高围护结构热工特性是降低建筑运行能耗的重要手段之一。本项目将从理论上分析相变材料厚度、相变潜热、相变温度、比热容、热导率等因素对围护结构传热的影响；建立考虑相变吸/放热及热物性参数变化的动态传热模型；搭建双层定型相变围护结构实验房，进行动态热特性实验；在不同室外环境、室内环境及相变材料吸/放热多外扰作用下，模拟和实验研究该结构传热过程的规律，揭示相变材料对该结构传热过程的影响机理，为发展高效围护结构提供理论支持。目前常见的单层定型相变材料ꎬ在室内或者室外使用往往只能在夏季或冬季发挥作用，为改善全年室内热环境，降低全年建筑运行能耗，且减少墙体改装面积，本项目提出一种新型的双层定型相变墙体。具体做法为在建筑物外墙内外表面均添加定型相变材料板，外层相变板具有较高的相变温度，在夏季发挥作用，内层相变板具有较低的相变温度，在冬季发挥作用。本文中的双层定型相变墙板用于建筑南外墙，该研究主要分析了相变材料厚度、相变温度对建筑运行能耗和建筑室内热环境的影响ꎬ最后根据节能率性及经济性因素得出了相变墙板的推荐使用厚度及其对应的相变温度，为该结构在建筑节能中的应用提供技术支持。双层定型相变墙体能够在夏季隔热、冬季保温，降低建筑物的运行能耗并提高了室内的热舒适性。为了更有效地发挥相变墙体的作用，分析了双层定型相变墙体在空调房间的使用效果，对比分析在装有变频空调和定频空调 2 种房间的运行能耗，结果表明：在装有变频空调的房间，双层定型相变墙体比普通墙体更加节能，变频空调能更有效地发挥定型相变墙体的自动调温作用。选取各气候区典型城市的气象数据作为模拟条件，对比相变房间与普通房间的模拟结果，分析定型相变墙体在各典型气候区的适用性，同时得出节能潜力最大时对应的定型相变材料厚度及相变温度参考值，为该结构的推广应用提供参考。