具有气候适应功能的热流自调节围护结构传热特性研究

发布时间：2017-04-27 15:28

  本文关键词：具有气候适应功能的热流自调节围护结构传热特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：建筑围护结构能耗占了建筑能耗很大的比例,是建筑节能的重点之一,因此开发新型的节能墙体对建筑节能具有重要意义。墙体对室内热环境的影响,主要是由于墙体具有“热容性”及“热阻性”。目前对围护结构的研究大部分都是基于墙体的这两个性质开展的。在墙体“热容性”方面开展研究的如相变墙体等,在“热阻性”方面开展研究的如水幕太阳能墙等。但目前针对墙体“热阻性”(即传热性能)开展的研究中,墙体传热系数都几乎不变,这样的墙体可以在室外温度波动较小及室外温度较为极端的地区(如严寒地区或是夏热冬暖地区)达到很好的节能效果,但在室外温度波动较大的地区,节能潜力则有限。例如在新疆地区,夏季白天室外温度很高,为了减少空调能耗,应该减少通过墙体传入室内的热量,因此墙体的传热系数越小越好。夏季夜晚当室外温度过低时,为了减少空调能耗,应该增加通过墙体传导到室外的热量,因此墙体的传热系数越大越好。但现阶段建筑的外墙体,其导热系数是固定的,无法实现这样一种节能方式。为了进一步降低墙体能耗,本文创新性地提出一种新型围护结构,即热流自调节围护结构,该围护结构能够根据室外温度改变其自身传热系数,达到降低空调采暖负荷,降低建筑能耗的作用。为了掌握热流自调节围护结构传热特性规律,本文主要从实验研究、理论分析和数值模拟3个方面对热流自调节围护结构传热特性开展研究：(1)搭建了热流自调节围护结构传热性能测试实验台,对其进行了实验测试。测试主要分为两种工况进行：高热阻工况(即模拟室外温度高于空调房间室内温度工况)及低热阻工况(即模拟空调房间温度高于室外温度工况)。通过对比两种工况下变热阻层热阻变化及当量传热系数的变化,初步分析实现墙体传热系数变化的可行性。经过测试表明,应用双金属片形式的热流自调节围护结构,平均可以实现30%左右的热阻变化率,证明了这一调节热阻的方式是可行的,后续研究中通过减少接触热阻等方式,可以使变化率进一步提高。(2)应用传热学理论对热流自调节围护结构传热的影响因素进行了研究。研究分别建立了热流自调节围护结构的导热模型及自然对流换热模型,应用这两个模型分别对热流自调节墙体的热阻变化率进行了分析,分析了夹层厚度、双金属片传热系数、双金属片层数、不同稳态温度等因素对热阻变化率的影响关系。理论计算结果表明,在双金属片导热系数变化范围10-170W/(m2·K),双金属片层数变化范围1-14,变热阻层夹层厚度10～170mm的条件下,导热辐射模型变热阻层热阻变化率范围1-16倍。在变热阻层夹层厚度变化范围为10～100mm的条件下,自然对流辐射换热模型变热阻层热阻变化率范围为1-29倍。(3)应用数值模拟的方式,分别研究了热面温度、夹层厚度、双金属片的偏转角度及双金属片传热系数对变热阻层传热特性的影响规律。数值分析结果表明,在双金属片导热系数变化范围50-200W/(m2·K),变热阻层夹层厚度变化范围100-200mm,变热阻层传热温差变化范围4-20℃的条件下,变热阻层热阻变化率范围9-21倍。并得出变热阻层的最佳厚度为100mm,双金属片层数及双金属片厚度应根据经济条件确定的结论。本文提出了热流自调节围护结构这样一种新型围护结构节能方式,并通过实验研究、理论研究、数值模拟对其进行分析。研究证明了双金属片式热流自调节围护结构的可行性,并初步得出了双金属片导热系数、双金属片的偏转角度、夹层厚度等因素对双金属片式热流自调节围护结构的热阻的影响规律,这些研究为气候适应功能的热流自调节围护结构传热特性规律的深入研究打下了基础。
【关键词】：传热系数自动调节 围护结构 双金属片 气候适应 建筑节能
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU111.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 主要符号表8-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景及意义13-16
• 1.1.1 世界及我国能耗现状13-14
• 1.1.2 具有热流自调节围护结构原理概述14-16
• 1.1.3 热流自调节围护建筑应用意义16
• 1.2 建筑墙体节能国内外研究现状16-19
• 1.2.1 相变墙体国内外研究现状16-18
• 1.2.2 集热墙国内外研究现状18-19
• 1.3 研究内容及研究路线19-22
• 1.3.1 研究内容19-21
• 1.3.2 研究路线21-22
• 第二章 传热系数自动调节墙体实验研究22-48
• 2.1 气候区热工分析22-25
• 2.2 实验原理25-26
• 2.3 实验设置26-33
• 2.3.1 双金属片材料的选择26-28
• 2.3.2 双金属片弯曲效果测试28-30
• 2.3.3 实验台搭建30-31
• 2.3.4 测试仪器31-33
• 2.4 实验方案33-34
• 2.5 数据处理34
• 2.6 实验结果分析34-47
• 2.6.1 加热层30℃稳态传热实验34-39
• 2.6.2 加热层40℃稳态传热实验39-43
• 2.6.3 加热层50℃稳态传热实验43-47
• 2.7 小结47-48
• 第三章 传热系数自动调节墙体传热理论研究48-64
• 3.1 引言48-49
• 3.2 导热辐射换热模型49-51
• 3.3 自然对流辐射换热模型51-53
• 3.4 计算结果及分析53-63
• 3.4.1 导热辐射换热计算结果分析53-57
• 3.4.2 自然对流辐射换热计算结果分析57-63
• 3.5 小结63-64
• 第四章 传热系数自动调节墙体传热特性的数值分析64-83
• 4.1 物理模型的建立64-67
• 4.2 数学模型的建立67-74
• 4.2.1 控制方程67-72
• 4.2.2 计算参数72
• 4.2.3 边界条件72-73
• 4.2.4 求解方法73-74
• 4.3 网格无关性验证74-75
• 4.4 传热系数自动调节墙体变热阻层传热特性的数值分析75-81
• 4.4.1 传热温差对不同工况下变热阻层传热系数的影响76-78
• 4.4.2 双金属片传热系数对不同工况下变热阻层传热系数的影响78-80
• 4.4.3 夹层厚度对不同工况下变热阻层传热系数的影响80-81
• 4.5 小结81-83
• 第五章 结论与展望83-85
• 5.1 结论83-84
• 5.2 展望84-85
• 参考文献85-88
• 在学期间的研究成果88-89
• 致谢89

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