自力式能量迁移的套管封装相变墙体系统主动隔热机制研究

The passive insulation effects of conventional PCM walls are very limited. This proposal proposes a pipe-encapsulated PCM wall system with self-activated energy transfer for highly effective insulation. The pipe-encapsulated PCM wall is coupled with a roof nocturnal cooling radiator, and then the system results in heat pipe effect which may realize the self-activated rejection of the stored heat in PCM in the daytime by the nocturnal cooling radiation. This proposal develops the simplified dynamic model of the pipe-encapsulated PCM with variable capacitance and resistance based on the variable phase change boundaries. A simplified dynamic model is developed for the wall structure body based on the analysis of its frequency thermal characteristics. The heat transfer models of the nocturnal cooling radiator and the gravity heat pipe are also developed. These models are coupled together through related temperature nodes, and the coupled model is solved for the heat rejection characteristics of the pipe-encapsulated PCM wall system given the boundary conditions of the ambient environment and the nocturnal radiation. The experimental test rig is established for the thermal characteristics testing of this system, and the test results are used for validating these simplified dynamic models as well as the coupled model. Based on these fundamental researches, the energy saving potential and the effect on the indoor thermal environment of this system are further studied. Its adaptability for various climates and the design method are also studied.

常规相变墙体在空调制冷季的被动隔热效果非常有限。本课题提出一种自力式能量迁移的套管封装相变墙体系统实现主动高效隔热。套管封装相变墙体与屋面夜间辐射冷却器耦合在一起形成重力热管效应以实现相变材料白天蓄热夜间通过长波辐射冷却进行自力式排热。本课题基于相变过程状态分界线建立相变材料的可变热容热阻简化动态模型；建立基于频域热特性分析的墙体结构本体简化动态模型；建立辐射冷却器的换热模型与重力热管的换热模型，并通过相关温度节点与相变材料的可变热容热阻简化动态模型及墙体结构本体的简化动态模型进行耦合求解，获取在室外环境及夜间长波辐射作用下该自力式能量迁移的套管封装相变墙体系统的冷却排热特性；建立这种结构系统的热特性测试实验平台，通过实验验证这种结构系统的热特性理论分析方法及模型。基于上述基础研究，进而研究这种结构系统的节能潜力及其对室内热环境的影响、这种结构系统在不同气候地区的适应性及设计理论与方法。

我国要在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。联合国政府间气候变化工作组也指出绿色建筑/低能耗建筑的减碳降耗效果居所有行业之首。高效的建筑围护结构时实现建筑减碳降耗的重要有效措施之一。自力式能量迁移的套管封装相变墙体系统是一种新型的节能围护结构形式。该墙体系统将相变材料封装在内、外套管之间，嵌入墙体内部，并利用重力热管系统与夜间天空辐射冷却器相连。利用相变隔热技术、重力热管技术以及夜间辐射冷却技术实现墙体的自动隔热与主动排热。充分利用自然冷源，减少室外向室内的传热，提高墙体热性能，进而实现建筑节能减排。项目主要的研究内容与结果如下：.第一：针对套管封装相变材料的结构特点，建立了可变热容热阻简化相变传热模型，该模型能够快速的预测套管封装相变材料的动态传热特性，计算效率高、使用方便。.第二：建立套管封装相变材料热特性实验平台，利用实验结果对简化相变传热模型进行验证。验证结果表明，采用4R2C与6R3C简化模型模拟得到的套管封装相变材料的动态传热特性与实验结果很好吻合，表面温度均方根误差小于0.5℃，表面热流的均方根误差在10W~15W，占平均表面热流的10%~12%左右，模型准确性好，可靠性高。.第三：建立了套管封装相变墙体模型、夜间辐射模型、以及重力热管模型相集成的墙体系统耦合模型。利用该系统耦合模型可快速预测墙体系统在实际边界下的热特性。模拟结果表明墙体系统能够有效的实现墙体自动隔热与排热，相比于普通墙体，墙体系统内表面进入室内的热流下降明显。由于夜间的辐射排热作用，墙体系统内部的相变材料在夜间能够有效凝固再生，利用效率高。.第四：建立了墙体系统热特性实验平台。测试结果表明，与普通相变墙体相比，自力式套管封装相变墙体系统内表面平均温度与热流明显下降，相变材料的利用效率也大大提高。利用实验结果对系统耦合模型进行验证，墙体系统耦合模型预测的温度与热流响应与实验结果很好吻合，墙体表面温度均方根误差小于0.7℃，墙体表面累计热流相对误差小于10%。系统耦合模型准确性高。.第五：建立了自力式能量迁移的套管封装相变墙体房间模拟平台，模拟墙体房间在供冷季的热特性与节能潜力。相比于普通墙体，自力式新型套管封装相变墙体供冷季内表面累计热流可减少53.0%，房间供冷季空调所需冷量可减少16.2%，具有很好的节能潜力。进一步研究了不同相变温度，套管间距等相关参数对墙体系统热特性