基于非平衡理论相变围护结构热工设计研究

Now the theoretical basis of thermal performance design of normal building envelopes is balanced theory. In this theory, the structure and the limit of heat transfer coefficient of different direction walls are the same, which leads to the reduction of the comfort level in the room resulting from the difference of irradiation received by the human in different directions. Based on the previous research, this project aims to study the basic issue of thermal performance design of residential building envelopes by using non-balanced theory. The building envelope component is made of the mixture of paraffin and plaster. Relative thermal conductivity is proposed to represent heat transfer characteristics of phase change components in phase change region considering the influence of the heat conduction, the sensible heat and the latent heat. The calculation method of thermal performance design parameters of materials with variable properties used in buildings is presented. With the purpose of unifying the irradiation in different orientations, dynamic and static thermal resistance optimization methods are determined. Dynamic harmonic model considering the time delay and the temperature attenuation is built on the basis of phase change heat transfer model, hence the optimum size of building envelopes in different orientations can be obtained. Non-balanced design method of phase change envelopes is determined and can be applied in the program, optimum thermal parameters of building envelopes in different orientations in various climatic regions can be calculated accordingly. Research results in this issue can provide the thermal performance design methods of phase change building envelopes based on non-balanced theory, and give the theoretical direction in the determination of thermal performance design parameters of buildings with variable properties aiming at higher comfort level and more energy conservation.

目前常规建筑围护结构热工设计理论基础是平衡理论，即不同朝向墙体的构造构法相同、传热系数限值相同，这导致房间内人体接受来自不同方向的热辐射量不同，舒适性降低。本课题拟在前人研究的基础上，利用有机石蜡和石膏融合制成围护结构构件，运用非平衡理论研究住宅围护结构热工设计的基础问题。提出相对导热系数作为反映相变构件在非稳态导热时导热、显热与潜热三者综合作用下传热的物性参数，确定变物性材料用在建筑时热工设计参数的选择方法；明确以不同朝向热辐射量相同为目标的动态与静态热阻优化方法；以相变传热模型为基础，建立基于考虑延迟和衰减的动态谐波模型，计算特定条件下不同朝向围护结构的最佳尺寸；建立相变围护结构非平衡设计方法并程序化，利用其计算不同气候区相变房间不同朝向围护结构最佳热工设计参数。研究结果将为基于非平衡理论的相变围护结构提供热工设计方法，为更舒适更节能的变物性建筑热工参数选择提供理论指导。

目前常规建筑围护结构热工设计理论基础是平衡理论，这导致房间内人体接收来自不同方向的热辐射量不同，舒适性降低。本项目在前人研究的基础上，利用有机石蜡和石膏融合制成围护结构构件，运用非平衡理论研究住宅围护结构热工设计的基础问题。重点围绕相变围护结构在设计上的问题，通过理论推导得出了被动式相变房间的耦合换热模型，从而提出相变围护结构被动式应用的设计方法。对于使用空调的相变房间，提出相变围护结构热工性能评价体系以表征相变围护结构的传热特性，基于此得出空调工况时相变围护结构的最优设计方法。利用非平衡理论对青海乡村地区居住建筑围护结构进行了热工设计优化研究。. 主要成果体现在以下几方面：1）针对应用相变围护结构的被动式房间，基于房间热平衡原理建立了相变房间耦合换热理论计算模型，提出被动式相变围护结构的热工设计方法。利用被动式设计方法，以奥克兰地区一个由相变围护结构组成的轻质相变房间为案例进行了设计。经过理论计算，5~10月份房间会出现过热问题，针对这些月份，相变层的最佳温度为22.3 ~ 26.3℃，同时应适时地采用自然通风。2) 提出了相变层结合表面机械送风的主动式利用方式，通过实验手段得出了系统最优的送风控制策略，该主动式系统与被动式相变围护结构一起，构成了主-被动式相变围护结构。通过搭建相变构件蓄放热性能研究实验台，进行相变通风蓄能实验，结果表明，对相变层进行表面送风可大大缩短相变层的相变过程，但过高的风速会使风机能耗抵消一部分相变蓄能所产生的节能量。3) 对于使用空调的相变房间，提出了空调工况下相变围护结构的热工设计方法。构建了相变围护结构热工性能评价体系，提出性能评价指标的计算方法及计算程序，用以计算并表征相变围护结构在空调工况时其随环境条件变化的动态热特性，基于此得出相变层的最优相变温度完成相变围护结构设计。4）基于非平衡理论提出青海乡村地区新建筑不同朝向传热系数限值，明确了窗、墙等各向围护结构热工性能对室内热环境和建筑能耗的影响。本项目为相变围护结构在实际工程中的设计提供基础理论、方法参考。