基于频域的空心砌块通风墙体动态传热模型及实验研究

The ventilated wall is built using the hollow blocks, the exhaust air of air-conditioning system, underground air or cold night air in summer is used to flow through the cavity of hollow block, in order to carry away the cool and heat stored in walls. This technology combines the heat recovery or renewable energy use with the reduction of cool and heat stored in walls, the effect of climate on indoor environment can be decreased, temperature fluctuation of internal surface of wall can be reduced, and thus human comfort can be improved, it has important significance for building energy conservation. In this study, the frequency domain finite difference method is used to establish the theoretical thermal model for hollow block ventilated wall, the thermal response of this structure in frequency domain is investigated under the effects of three outer interferences including outdoor temperature, indoor temperature and airflow temperature; Simplified dynamic thermal network model is established using resistance-capacity network method, the thermal response in frequency domain is calculated; The effect of simplified dynamic thermal network model with different orders on the thermal response in frequency domain is investigated referring to the theoretical thermal model, the proper order of model is determined; Experimental platform for the thermal response of such a ventilated wall is established, which is used to verify the thermal response of theoretical thermal model and simplified dynamic thermal network model. Finally, the simplified dynamic thermal network model is used in normal simulation program of building energy consumption, the energy saving potential and suitability of hollow block ventilated wall are studied for different places.

采用空心砌块搭建成通风墙体，利用空调系统排风、地道风或夏季夜间凉风对空心砌块墙体的空腔进行通风，实现墙体内部冷/热量的转移。该技术将热回收或可再生能源利用与降低墙体内部冷/热量结合起来，可削弱室外气候对室内环境的影响，减小墙体内表面温度的波动，从而改善人体的舒适性，对建筑节能具有重要意义。提出采用频域有限差分法建立空心砌块通风墙体的理论传热模型，研究该结构在室外温度、室内温度及空腔内气流温度三个外扰作用下的频域热特性；采用热阻热容网络法建立该结构的简化动态热网模型，并计算其频域热特性；以理论传热模型作为参考研究不同阶数的简化动态热网模型对频域热特性的影响，确定合适的模型阶数；建立该结构的热特性测试实验平台，验证理论传热模型及简化动态热网模型的准确性。最后，将简化动态热网模型嵌入到建筑能耗模拟软件包中，研究该结构对不同地区的节能潜力及适用性。

提出空心砌块通风墙体，利用空调系统排风、地道风或夏季夜间凉风对空心砌块墙体的空腔进行通风，实现墙体内部冷/热量的转移。采用CFD数值模拟的方法，研究空腔大小以及空腔内气流速度对该墙体传热的影响。采用频域有限差分法建立空心砌块通风墙体的理论传热模型，分析墙体内、外表面及空腔内表面热流密度，将计算结果与CFD模拟结果进行对比，二者结果基本相同，但FDFD模型可以节省大量的时间。分析该结构在室外空气综合温度、室内温度和空腔内气流温度三个外扰作用下的频域热特性，建立了空心砌块通风墙体的简化动态热网模型（RC模型），以FDFD模型作为参考，用遗传算法对RC模型各热阻热容参数进行辨识，得到了三种不同外扰下的简化动态热网模型热阻和热容值，与FDFD模型结果对比，空心砌块通风墙体的RC模型计算结果是可靠的，采用RC模型对该通风墙体进行了频域特性分析，在同等外扰作用下的RC模型的频域热特性与FDFD模型计算得到的频域热特性相吻合。采用NTU方法建立了空心砌块通风墙体的准静态传热模型，以分析空腔内气流出口温度及带走的热量。采用实验的方法验证了简化热网模型和准静态传热模型的准确性，实验研究了通风墙体的热工性能，与不通风墙体相比，当空腔流速为1.9、1.5、0.9和0.3m/s，内表面平均温度分别降低3.1、3.0、2.8、2.0和1.8℃，当量热阻分别增加0.97、2.42、3.22和3.48（m2K/W）。最后，采用Energyplus能耗模拟软件，对空心砌块通风墙体的节能特性进行分析，结果表明在严寒地区节能效果最好。本课题的研究结论表明利用该通风墙体可以增加墙体热阻，减小墙体内表面热流和空调能耗，可促进余热回收在建筑节能减排技术中的应用，对于建筑节能具有重要的意义。