基于相变通风耦合机理的住宅围护结构热工设计基础研究

Phase change material's characteristics of variable properties at room temperature, make its equivalent specific heat much larger than the commonly used building materials. The researchers conducted a lot of research work, trying for the building envelope to regulate the fluctuations of the indoor thermal environment caused by the outdoor meteorological parameters dramatic changes. This project intends to solve the foundation problem of residential building envelope thermal design principle on the basis of previous studies, using a coupling ventilation analysis.It puts forward a optimization method to achieve the minimum dynamic thermal load, which can also realize the balance between dynamic thermal resistance and static thermal resistance. We will fuse organic paraffin and gypsum to make the building envelope, take phase change heat transfer model as the foundation, establish the dynamic storing and releasing heat model based on phase change-ventilation coupling mechanism and calculate the optimum thickness of building envelope under specific conditions. We will do comparative experiments between phase change room and the ordinary room, test thermal parameters, energy saving quantity and comfort degree, and evaluate the application effect of phase change building envelope by　uncomfortable indices and contribution rate of energy saving. Further more, we will study heat transfer mechanism and dynamic characteristics of phase change room based on the phase change building envelope model, establish phase change building envelope temperature control method and make it programmed to load software TRNSYS, then use it to get the simulation on the best thermal design parameters of phase change room in different climatic region. The results of this study can provide method reference for comfort and energy saving optimization design about phase transition housing.

相变材料在常温下的变物性特性使得其等效比热远大于常用建筑材料，研究人员进行了大量的研究工作，试图将其用于建筑围护结构之中，以调节室外气象参数剧烈变化引起室内热环境的波动。本课题拟在前人研究的基础上，运用耦合通风分析原理，解决住宅围护结构热工设计的基础问题。提出以最小动态热负荷为目标可平衡动态与静态热阻的优化方法；利用有机石蜡和石膏融合制成围护结构构件，以相变传热模型为基础，建立基于相变通风耦合机理的动态热模型，计算特定条件下围护结构最佳厚度；进行相变与非相变房间对比实验，测试热工参数，通过不舒适性指标和节能贡献率评价相变构件的应用效果，并在相变围护结构模型基础上研究相变房间的换热机理及动态特性，建立相变围护结构调温控制方法并程序化，加载到软件TRNSYS中；利用其计算不同气候区相变房间最佳热工设计参数。研究结果可为相变建筑的舒适性、节能优化热工设计方法提供参考。

在建筑围护结构中使用相变材料能够大大增加建筑的蓄热能力，从而减小室内温度波动，在提升人体热舒适性的同时降低制冷与供暖能耗。而如何提高并完善相变材料对建筑室内热环境的调节能力，是限制相变材料在建筑领域应用的重要问题。本项目以解决被动式相变节能结合主动式通风技术应用在围护结构中的热工设计问题为目的，重点围绕相变围护结构构件制备及其热工性能研究、相变围护结构传热过程及相变通风耦合换热机理研究、相变房间动态热特性研究及调温控制方法程序化、适宜不同气候区的相变围护结构热工性能优化及评价四个方面的研究内容，制备微胶囊复合相变构件、搭建热工性能测试实验台并测试材料热物性参数，进行了实验方面的测试与分析，建立相变围护结构传热模型、相变房间动态热平衡模型、相变围护结构热性能评价模型并程序化，完成了多因素耦合作用下换热机理的研究。主要成果体现在以下几方面：1）明确了相变材料物性变化规律，尤其是相变区内导热系数的变化情况，对相变材料进行了热物性参数测试，得到了材料蓄、放热过程中热容、热阻的动态变化特性；2）明确了相变围护结构传热及其与通风耦合换热的规律，开展了相变围护结构在通风换热条件下的实验及理论研究，发现利用机械通风可显著提高相变围护结构的蓄、放热能力及效率；3）完成了相变房间的动态传热模型的建立并将其程序化，实现了相变材料动态热性能及室外环境动态变化耦合作用下相变房间的热性能分析及预测，得到了相变材料在房间中的应用效果及房间热性能动态变化情况，采用综合指标进行了评价；4）建立了基于相对导热系数的相变围护结构热性能评价指标与优化方法，综合反映出相变围护结构的传热特性及其全年变化情况，得到了不同气候条件下相变围护结构热性能的差异性，明确了相变材料热物性参数对围护结构热性能的影响。本项目为提高相变材料的室内环境调控能力提供了新的思路，测试方法、优化评价方法及计算程序可为相变围护结构设计提供有效指导。