相变蓄热墙体热工计算及优化设计工具开发
发布时间：2021-01-08 19:18
随着我国建筑能耗急剧增长,建筑节能已成为可持续发展的重要部分。提高围护结构的热工性能是建筑节能的基础和重要保障,其中墙体的保温性能和蓄热性能对于维持稳定的室内热环境具有重要作用。由此,工程中逐渐涌现出相变蓄热墙体这类新型围护结构,由于相变材料的变物性特征,需要采用变物性参数的非线性方程来描述传热过程,对墙体传热模拟技术提出了新要求,同时相变蓄热墙体的热工设计应与地区气候相适应,不同地区所适用的相变材料的相变温度、相变材料厚度及保温材料类型与厚度等也不尽相同,需要开展相变蓄热墙体的优化设计研究。本文从相变蓄热墙体围护结构的热工计算和优化设计的角度出发,通过对国内外文献的调研,开发了相变蓄热墙体传热计算程序,开展了数值模型的验证,完成与建筑能耗模拟软件DeST的集成应用;提出了自由运行建筑围护结构节能性能评价指标,编写了室内空气温度逐时值迭代求解和评价指标计算程序;基于遗传算法建立了多变量单/多目标优化模型,开发了优化设计程序,主要研究工作如下:（1）通过总结梳理国内外文献和主流软件中相变蓄热墙体传热计算模型的优缺点和不足,在此基础上,利用热容法数学模型、有限差分法离散方法及逐次超松驰迭代...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
围护结构移峰填谷示意图（作者自图
西安建筑科技大学硕士学位论文2热稳定性[6]。其应用场景如图1.2。相变蓄热墙体作为一种新型的围护结构，随着其在工程中不断的应用，对于墙体传热模拟技术提出了新要求。由于相变材料的变物性特征（如比热容、导热系数等），常规墙体的传热计算方法已不再适用于相变蓄热墙体的传热计算，需要采用变物性参数的非线性方程来描述传热过程。且常见的相变材料存在一定的迟滞现象，无机相变材料更是存在过冷现象，在模拟过程中需要对其进行考虑，以便实现相变蓄热墙体传热过程的精确模拟，从而为相变材料的应用效果评价提供支持。同时，相变蓄热墙体的热工设计应与地区气候相适应，不同地区所适用的相变材料的相变温度、相变潜热、相变材料厚度及对应的保温材料类型与厚度等也不尽相同。对于建筑师来说，在建筑方案设计阶段选择相变材料时，只能通过有限次方案的对比，设计变量的数量和取值范围比较狭小，受到一定的限制，并且对于建筑师而言，缺乏相变蓄热墙体传热计算和优化算法等相关领域的复杂专业知识，从而导致建筑师不能充分优化相变材料在某一地区实际气候条件下的应用效果，无法实现围护结构移峰填谷效应的最大化，只能选择应用效果欠佳的围护结构构造方案。综上所述，相变蓄热墙体的热工计算对于定量描述相变材料的应用效果和推广其在工程实践中的应用具有重要意义，相变蓄热墙体的优化设计能够为其热工设计与地区气候相适应提供参考和依据。1.2国内外研究及应用现状1.2.1相变蓄热墙体数值传热计算研究进展针对相变蓄热墙体的传热问题国内外学者已做了大量的研究。国外Al-Saadi等图1.1围护结构移峰填谷示意图（作者自绘）图1.2相变蓄热墙体应用场景（作者自绘）
西安建筑科技大学硕士学位论文23oC，湿度控制范围为10%~90%。在实验中，室外气候条件设置为西安六月份高辐射、大日较差的典型气象日。室内空气温度与内表面温度均由K型热电偶测量得到，仪器误差为正负5%，并通过数据采集器记录温度数据，将室内空气温度测量值作为数值模拟计算的输入值，计算相变蓄热墙板内表面温度的逐时变化规律。为了排除其他因素对实验结果的影响，小室的四面墙板设置为厚度达100mm的挤塑聚苯乙烯泡沫保温板，只设置一面相变蓄热墙板，实验墙板见图2.8，相变蓄热墙板由20mm厚的相变材料层及30mm厚的保温材料层构成，采用宏观封装的无机类相变材料，主要成分是CaCl26H2O，将其贴于保温材料的上面，相变材料的相变温度区间为25~28oC，缩尺模型墙板的相变材料布置面积为65%。图2.8蓄热通风实验系统图（作者自绘）01020304026283032墙体内表面温度/C时间/h实测显式全隐半隐图2.9缩尺模型实验与模拟结果对比图（作者自绘）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DeST平台的联合仿真系统开发[J]. 孙红三,燕达,吴如宏. 建筑科学. 2018(10)
[2]建筑相变蓄热及夜间通风技术研究进展[J]. 杨柳,乔宇豪,刘衍,侯立强,王梦媛,刘加平. 科学通报. 2018(07)
[3]基于遗传算法的围护结构优化设计研究[J]. 山如黛,刘冠男,夏晓东,石铁矛. 建筑技术. 2018(02)
[4]基于多目标优化的节能建筑方案设计[J]. 陈煜琛,蓝艇,史旭华. 工程技术研究. 2017(06)
[5]夏热冬冷地区墙体保温层厚度优化方法[J]. 赵迎杰,陈友明,刘向伟. 建筑科学. 2017(04)
[6]基于层次分析法相变材料的选择[J]. 李云涛,晏华,王群,赵思勰. 化工新型材料. 2017(01)
[7]复合相变材料的多层墙体优化研究[J]. 李元昊,齐全,殷结峰,孟曦. 制冷与空调(四川). 2016(06)
[8]相变蓄能墙多因素热特性分析及优化研究[J]. 孔祥飞,刘少宁,钟俞良,戎贤,杨华,齐承英. 建筑科学. 2016(08)
[9]基于正交设计的相变外墙对建筑热环境的影响分析[J]. 张维维,程建杰,张源,何嘉鹏. 建筑科学. 2016(08)
[10]居住建筑围护结构热工性能优化设计研究[J]. 周辉,董宏,孙立新,冯驰. 建筑科学. 2015(10)
博士论文
[1]太阳能相变蓄热墙冬季供暖与夏季降温的性能研究[D]. 赵春雨.天津大学 2016
[2]建筑围护结构动态传热模拟方法的研究[D]. 周娟.湖南大学 2012
硕士论文
[1]基于遗传算法的绿色建筑节能方案多目标优化[D]. 祁士伟.北京化工大学 2017
[2]组合相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构的传热性能研究及能耗分析[D]. 华旭明.东华大学 2017
[3]相变储能建筑墙体热工性能及适用性评价研究[D]. 刘朋.中国矿业大学 2016
[4]基于遗传算法的建筑节能集成优化设计初探[D]. 王南.西南交通大学 2016
[5]全年工况下墙体相变材料层最优位置模拟研究[D]. 施东杰.东南大学 2015
[6]建筑用新型复合相变材料储能过程的模拟及实验研究[D]. 张盼.重庆大学 2014
[7]相变墙体夏季工况运行特性的数值计算与实验研究[D]. 牛犇.西南交通大学 2011
[8]新型相变材料蓄放热特性的数值计算与实验研究[D]. 于静.天津商业大学 2008
[9]相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究[D]. 果海凤.北京工业大学 2008
[10]严寒地区采暖房间室内温度日变化规律研究[D]. 张春芳.大庆石油学院 2008
本文编号：2965153
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
围护结构移峰填谷示意图（作者自图
西安建筑科技大学硕士学位论文2热稳定性[6]。其应用场景如图1.2。相变蓄热墙体作为一种新型的围护结构，随着其在工程中不断的应用，对于墙体传热模拟技术提出了新要求。由于相变材料的变物性特征（如比热容、导热系数等），常规墙体的传热计算方法已不再适用于相变蓄热墙体的传热计算，需要采用变物性参数的非线性方程来描述传热过程。且常见的相变材料存在一定的迟滞现象，无机相变材料更是存在过冷现象，在模拟过程中需要对其进行考虑，以便实现相变蓄热墙体传热过程的精确模拟，从而为相变材料的应用效果评价提供支持。同时，相变蓄热墙体的热工设计应与地区气候相适应，不同地区所适用的相变材料的相变温度、相变潜热、相变材料厚度及对应的保温材料类型与厚度等也不尽相同。对于建筑师来说，在建筑方案设计阶段选择相变材料时，只能通过有限次方案的对比，设计变量的数量和取值范围比较狭小，受到一定的限制，并且对于建筑师而言，缺乏相变蓄热墙体传热计算和优化算法等相关领域的复杂专业知识，从而导致建筑师不能充分优化相变材料在某一地区实际气候条件下的应用效果，无法实现围护结构移峰填谷效应的最大化，只能选择应用效果欠佳的围护结构构造方案。综上所述，相变蓄热墙体的热工计算对于定量描述相变材料的应用效果和推广其在工程实践中的应用具有重要意义，相变蓄热墙体的优化设计能够为其热工设计与地区气候相适应提供参考和依据。1.2国内外研究及应用现状1.2.1相变蓄热墙体数值传热计算研究进展针对相变蓄热墙体的传热问题国内外学者已做了大量的研究。国外Al-Saadi等图1.1围护结构移峰填谷示意图（作者自绘）图1.2相变蓄热墙体应用场景（作者自绘）
西安建筑科技大学硕士学位论文23oC，湿度控制范围为10%~90%。在实验中，室外气候条件设置为西安六月份高辐射、大日较差的典型气象日。室内空气温度与内表面温度均由K型热电偶测量得到，仪器误差为正负5%，并通过数据采集器记录温度数据，将室内空气温度测量值作为数值模拟计算的输入值，计算相变蓄热墙板内表面温度的逐时变化规律。为了排除其他因素对实验结果的影响，小室的四面墙板设置为厚度达100mm的挤塑聚苯乙烯泡沫保温板，只设置一面相变蓄热墙板，实验墙板见图2.8，相变蓄热墙板由20mm厚的相变材料层及30mm厚的保温材料层构成，采用宏观封装的无机类相变材料，主要成分是CaCl26H2O，将其贴于保温材料的上面，相变材料的相变温度区间为25~28oC，缩尺模型墙板的相变材料布置面积为65%。图2.8蓄热通风实验系统图（作者自绘）01020304026283032墙体内表面温度/C时间/h实测显式全隐半隐图2.9缩尺模型实验与模拟结果对比图（作者自绘）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DeST平台的联合仿真系统开发[J]. 孙红三,燕达,吴如宏. 建筑科学. 2018(10)
[2]建筑相变蓄热及夜间通风技术研究进展[J]. 杨柳,乔宇豪,刘衍,侯立强,王梦媛,刘加平. 科学通报. 2018(07)
[3]基于遗传算法的围护结构优化设计研究[J]. 山如黛,刘冠男,夏晓东,石铁矛. 建筑技术. 2018(02)
[4]基于多目标优化的节能建筑方案设计[J]. 陈煜琛,蓝艇,史旭华. 工程技术研究. 2017(06)
[5]夏热冬冷地区墙体保温层厚度优化方法[J]. 赵迎杰,陈友明,刘向伟. 建筑科学. 2017(04)
[6]基于层次分析法相变材料的选择[J]. 李云涛,晏华,王群,赵思勰. 化工新型材料. 2017(01)
[7]复合相变材料的多层墙体优化研究[J]. 李元昊,齐全,殷结峰,孟曦. 制冷与空调(四川). 2016(06)
[8]相变蓄能墙多因素热特性分析及优化研究[J]. 孔祥飞,刘少宁,钟俞良,戎贤,杨华,齐承英. 建筑科学. 2016(08)
[9]基于正交设计的相变外墙对建筑热环境的影响分析[J]. 张维维,程建杰,张源,何嘉鹏. 建筑科学. 2016(08)
[10]居住建筑围护结构热工性能优化设计研究[J]. 周辉,董宏,孙立新,冯驰. 建筑科学. 2015(10)
博士论文
[1]太阳能相变蓄热墙冬季供暖与夏季降温的性能研究[D]. 赵春雨.天津大学 2016
[2]建筑围护结构动态传热模拟方法的研究[D]. 周娟.湖南大学 2012
硕士论文
[1]基于遗传算法的绿色建筑节能方案多目标优化[D]. 祁士伟.北京化工大学 2017
[2]组合相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构的传热性能研究及能耗分析[D]. 华旭明.东华大学 2017
[3]相变储能建筑墙体热工性能及适用性评价研究[D]. 刘朋.中国矿业大学 2016
[4]基于遗传算法的建筑节能集成优化设计初探[D]. 王南.西南交通大学 2016
[5]全年工况下墙体相变材料层最优位置模拟研究[D]. 施东杰.东南大学 2015
[6]建筑用新型复合相变材料储能过程的模拟及实验研究[D]. 张盼.重庆大学 2014
[7]相变墙体夏季工况运行特性的数值计算与实验研究[D]. 牛犇.西南交通大学 2011
[8]新型相变材料蓄放热特性的数值计算与实验研究[D]. 于静.天津商业大学 2008
[9]相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究[D]. 果海凤.北京工业大学 2008
[10]严寒地区采暖房间室内温度日变化规律研究[D]. 张春芳.大庆石油学院 2008
本文编号：2965153
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