复合相变蓄热墙体应用于北方住宅建筑的节能特性研究

摘要

在我国北方大部分地区，由于冬季日照率比较高、太阳辐射强度大，白天往往房间空气温度比较高；而夜间又由于室外温度较低，使得房间温度也随之急剧下降，导致房间温度昼夜波动很大。若能将太阳能的利用与相变蓄热技术有机结合，利用相变材料相变潜热量大的特点，将白天射入到房间内的、多余的太阳能储存在建筑围护结构内，使房间温度控制在需要的范围内；到夜晚房间温度降低时，再将储存在建筑围护结构内太阳热能逐渐释放到空气中，维持房间温度的稳定。将被动式相变蓄热技术应用于建筑中，可以实现更高效率的利用可再生能源，达到降低建筑能耗的目标，同时提高房间的热舒适性。 本研究，将以冬季日照率比较高、太阳辐射强度大的北京地区住宅建筑为研究对象，将本课题组研制的复合相变蓄热墙体材料应用于建筑围护结构中，依据建筑热物理学、传热学以及贮能理论，并结合计算机模拟分析方法与科学实验的方法，研究采用了复合相变蓄热墙体材料建筑，在利用太阳能过程中的传热理论及工程应用问题，以期为该项技术在今后工程中的应用提供设计依据与方法。为此，本研究重点围绕以下几方面进行了理论与实验研究。 首先，从传热学与相变贮能的角度研究了单体墙板的相变传热问题，根据建筑围护结构热工特性评价指标体系，对普通墙体、保温墙体以及复合相变蓄热墙体在内、外扰温度波和热流波作用下的传热特性以及热工特性进行了分析比较；讨论了相变材料的相变温度、潜热量、导热系数以及墙体厚度等因素对复合相变蓄热墙体内壁面温度的影响规律；在此基础上，进一步从建筑动态传热理论的角度研究了将复合相变蓄热墙体应用于住宅建筑中的相变传热问题，建立了房间动态相变传热过程中的数学物理模型；并借助计算机模拟分析方法，讨论了在我国不同气候特征的在北方地区，采用了复合相变蓄热墙体建筑房间的能耗特点；最后结合缩尺寸实验台的实验结果，验证了将复合相变蓄能墙体应用于被动式太阳能蓄热建筑的可行性及节能性；所提出的研究方法以及研究结论，对今后相变蓄热技术在被动式太阳能建筑中的应用提供了具有价值的参考依据。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1我国建筑节能迫在眉睫

1.1.2太阳能利用现状

1.1.3相变蓄热墙体材料的应用意义

1.2相变蓄热墙体传热特性的研究

1.2.1.国外研究

1.2.2国内研究

1.3课题研究内容及思路

1.3.1研究内容

1.3.2研究思路

1.3.2研究特色

1.4本章小结

第二章复合相变蓄热墙体传热特性分析

2.1墙体的热工分析及评价

2.1.1墙体热工评价指标

2.1.2热工参数计算与比较

2.1.3相变材料的蓄放热实验

2.2墙体传热模型

2.2.1墙体传热的物理数学模型

2.2.2普通墙体传热方程求解

2.2.3相变墙体传热方程求解

2.2.4相变传热程序验证

2.3墙体传热模拟计算

2.3.1分析方法

2.3.2内扰温度(Tin)对三种墙体传热过程影响分析

2.3.3内扰辐射热(Qin)对三种墙体传热过程影响分析

2.3.4外扰温度(Tout)对三种墙体传热过程影响分析

2.3.5外扰辐射热(Qout)对三种墙体传热过程影响分析

2.4本章小结

第三章相变房间传热模型分析计算

3.1房间动态传热模型

3.1.1房间传热物理模型

3.1.2房间传热数学模型

3.2房间辐射模型

3.3.1角系数

3.3.2房间内壁面对流辐射耦合换热计算

3.3玻璃传热模型

3.4房间传热过程的求解与验证

3.5房间动态传热模拟计算

3.5.1计算条件

3.5.2有一面外墙的房间

3.5.3有两面外墙的房间

3.5.4有三面外墙的房间

3.5.5结果与讨论

3.6本章小结

第四章相变问题的实验研究

4.1相变房间的实验研究

4.1.1实验台设计

4.1.2实验方案

4.1.3实验结果分析

4.1.4实验模拟计算

4.2相变太阳房的实验研究

4.2.1实验介绍

4.2.2实验仪器

4.2.3实验方案

4.2.4结果分析

4.3本章小结

第五章复合相变蓄热墙体在北方住宅建筑中的应用

5.1北方地区气候特点

5.1.1太阳能资源分布

5.1.2日照率

5.1.3室外平均气温

5.2北方不同地区应用相变材料的节能特性

5.2.1不同城市典型房间能耗

5.2.2相变房间过热能耗节能率

5.2.3相变房间过冷能耗节能率

5.3本章小结

结论和展望

研究总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢