基于理想节能建筑围护结构非线性热容传热反问题研究

"随着建筑节能迫切性的日益显现，以材料科学及建筑环境科学为基础的具有节能和自诊断功能的建筑新材料研究将有巨大突破"。传统建筑围护结构热物性研究均采用正向、线性的分析方法，难以确定建筑的最佳结构形式、材料的最佳热物性及适用条件和范围。本项目研究拟从逆向、非线性角度出发，通过理论分析、数值计算和实验研究的方法，（1）弄清理想节能建筑围护结构非线性热容传热机理和规律；（2）弄清各影响因素对理想节能建筑的节能调温的影响方式和程度；（3）得到具有非线性热容围护结构的理想热物性参数或函数形式，确定具有非线性热容建筑围护结构材料的遴选原则和热性能设计原则；（4）提出具有非线性热容建筑围护结构建材的热性能评价指标，分析建筑围护结构及材料的热物性改进途经和效果。此研究成果，有助于进一步认识非线性建筑围护结构，为建筑围护结构和建材的热物性设计与研制提供理论依据并指明方向。

本项目完成情况良好，达到了课题预期成果：.1）发表论文18篇，其中SCI摘引国际期刊论文6篇（含1篇in press, 2篇accept with revisions），被SCI引用7次，其中SCI他引6次；EI 摘引期刊论文11篇（含1篇录用）。撰写著作一本（第二作者）。.2）在建筑围护结构蓄能研究领域，形成一支业务水平高的青年学术队伍，培养研究生5名。.3）弄清了理想节能建筑围护结构非线性热容传热机理，为建筑围护结构和建材的热物性优化设计与研制提供理论依据。具体为：. （a）提出一种设计理想节能建筑的反问题新思路。可以求解节能建筑内的理想热质体物性随温度的分布形式，理想通风换气策略，以及最为节能的混合加热模式。对于所研究案例，墙体理想非线性比热随温度的分布接近δ函数，与相变材料特性接近。研究发现：不同气候区的附加焓临界值不相等，但理想热质体的最佳特征温度十分接近，冬季基本处于18.3-19.3℃，夏季基本处于26.5-26.7℃。. （b）提出了一种估算被动式太阳房内最优相变温度及潜热的解析方法，可用于指导相变建材设计与制备。冬季最优相变温度取决于室内热舒适温区下限，其随着换气次数、外墙及玻璃的传热系数值的增大而增大，随着室外最低温度及内热源的增大而减小。. （c）建立了蓄热材料质点模型，分析了蓄热材料本身调温性能。得到蓄热材料调温作用解析表达式，提出调温完善度评价蓄热材料调温性能，并以调温完善度最大为优化目标，得到最优非线性比热为δ函数，特征温度为质点热舒适温度区间下限。. （d）提出了一种基于反问题主动式建筑最佳通风策略确定方法。对全国204个城市的夜间通风潜力进行评价分析。并且在此基础上对围护结构物性对于机械通风优化节能率的影响进行了敏感性分析。