内嵌管式围护结构热特性理论分析与实验研究

摘要

建筑能耗的不断攀升与能源的匮乏使得人们越来越注重去开发新的手段，新的技术去节约能源。内嵌管式围护结构是一种新型的建筑围护结构。该结构是一种在墙体/屋顶内预埋管道利用管道内流体循环在墙体内部实现冷热量转移的建筑围护结构。由于该结构具有良好的蓄热性能及管内冷/热水与管壁面的大接触面积的特点，因此可以在低温差传热条件下实现大的热量传递，从而可以充分利用低品位能来大大削弱室外气候对室内环境的影响，减少室外向室内的传热，实现节能并提高室内热舒适性。本文主要进行了内嵌管式围护结构的热特性理论分析与实验研究，论文创新及工作要点如下：
　　第一：采用CFD数值模拟的方法，建立了内嵌管式围护结构和传统墙体的CFD模型，并使用该模型研究了内嵌管式墙体以及传统墙体在夏热冬冷地区气候条件下的传热特性，研究结果表明：内嵌管式围护结构可以大大的减少室外向室内的传热量及墙体蓄热量，降低了夏季/冬季时的室内冷/热负荷，并提高热舒适性。
　　第二：首次提出了内嵌管式围护结构的频域有限差分模型(即FDFD模型)以研究该结构在不同频率外扰作用下的热特性。并采用了CFD模型作为参照模型。两个模型的计算结果表明FDFD模型比CFD模型更直观，FDFD模型可以直接反映系统频域热特性，CFD模型只能计算出系统的时域热特性，因此FDFD更加方便进行系统的频域热特性分析，并且FDFD模型在计算相同的工况时花费的时间比CFD模型少很多。
　　第三：首次提出内嵌管式围护结构的简化热网模型(RC模型)并在频域内对其参数进行辨识。RC模型的阶数以及准确的确定 RC模型的参数(热阻值和热容值)是很困难的，并且对于模型的准确性具有重要的影响。为了解决这一难题，本文以内嵌管式围护结构频域有限差分模型(FDFD模型)作为理论模型，以其计算的各个表面的热流幅值和相角为理论频域特性。通过遗传算法(GA)辨识了内嵌管式围护结构的RC模型的参数(热阻和热容)。结果表明基于理论模型的计算结果，通过遗传算法可以很好的辨识出内嵌管式围护结构简化热网模型的参数。
　　第四：首次提出了内嵌管式围护结构的准动态模型。该模型由简化热网模型和热交换模型(Number of Transfer Units模型，简称NTU模型)两个部分耦合组成。该准动态模型主要由简化热网模型和热交换模型(Number of Transfer Units模型，简称NTU模型)两个部分耦合组成，通过该模型可以计算内嵌管式围护结构沿着内嵌管道方向的传热，预测流体的出口温度。本文以CFD模型作为参照模型对该准动态模型进行了验证。结果表明内嵌管式围护结构的准动态模型可以很好的分析该结构沿管道方向的传热。本文同时验证了不同内嵌管式围护结构的准动态模型。
　　第五：搭建了内嵌管式围护结构的实验平台，根据实验测量数据对模型进行了验证。主要描述了实验平台的搭建方法和过程，并使用该试验台验证模型的简化方法的正确性及内嵌管式围护结构准动态模型本身的准确性。实验结果表明内嵌管式围护结构的理论模型是非常准确的。进一步利用内嵌管式围护结构的实验台也可以更好的分析内嵌管式围护结构的传热特性，分析其节能效果等。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景及来源

1.2 内嵌管式建筑结构的概述

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容

1.5 本章小结

2 内嵌管式围护结构描述及其热特性研究方法

2.1 内嵌管式围护结构描述

2.2 内嵌管式围护结构系统应用方式

2.3 内嵌管式围护结构热特性研究方法

2.4 本章小结

3 内嵌管式围护结构的时域热特性研究

3.1 引言

3.2 CFD介绍

3.3 几何模型描述

3.4 CFD模型及边界条件处理

3.5 内嵌管式外墙与传统墙体的热特性对比

3.6 水温对于内嵌管式围护结构热特性的影响

3.7 管间距对于内嵌管式围护结构热特性的影响

3.8 本章小结

4 基于频域有限差分法的内嵌管式围护结构的频域热特性研

4.1 引言

4.2 研究方法介绍

4.3 内嵌管式围护结构频域有限差分模型

4.4 参考模型

4.5 特征外扰

4.6 模型验证

4.7 模型计算效率

4.8 几种典型的内嵌管式外墙的频域热特性

4.9 本章小结

5 内嵌管式围护结构的简化热网模型

5.1 引言

5.2 简化热网模型概述

5.3 内嵌管式围护结构的简化热网模型

5.4 模型的参数辨识方法

5.5 简化热网模型的参数辨识与验证

5.6 本章小结

6 内嵌管式围护结构的准动态模型

6.1 引言

6.2 内嵌管式围护结构准动态模型描述

6.3 参考模型

6.4 准动态模型验证

6.5 本章小结

7 内嵌管式围护结构的热特性实验研究

7.1 实验平台设计

7.2 数据采集软件及界面

7.3 测试工况及测试结果

7.4 模型验证

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 博士生期间参与的课题研究情况