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相变蓄热墙体热工计算及优化设计工具开发

刘堂  
【摘要】: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算法并通过MATLAB自编程方法开发了相变蓄热墙体动态热工计算程序,开展了理论验证、EnergyPlus程序间对比验证与建筑热工缩尺模型实验验证三个方面的验证,基于国际通用模型接口FMI(Functional Mock-up Interface)和功能模型单元FMU(Functional Mock-up Unit)在建筑能耗模拟软件DeST中首次实现了相变蓄热墙体传热计算和能耗模拟的动态耦合,该研究工作对于定量评价相变蓄热墙体的应用效果具有重要意义。(2)分析了现有标准规范和文献中建筑节能性能评价指标的特点和不足,明确了相变蓄热墙体房间围护结构节能性能评价指标的影响因素,基于人体热适应模型从全年室内外空气温度与舒适温度度时数角度提出了围护结构节能贡献率评价方法,定义了基准度时数、设计度时数和围护结构调节度时数概念,建立了围护结构节能贡献率权衡判断方法,并以居住房间为研究对象,对BioPCMs相变材料在寒冷地区7个城市的应用效果进行了评价,该工作可为建筑本体的节能性能评价提供参考。(3)介绍了遗传算法的基本原理、流程和MATLAB的遗传算法工具箱,利用遗传算法建立了以围护结构构造参数为设计变量、围护结构调节度时数最大为目标函数的单目标优化模型,并结合PWF经济性指标建立了多目标优化模型,开发了多变量的单/多目标优化设计程序,以一个相变蓄热墙体房间构造的优化设计案例说明了程序的实用性,并对围护结构传热计算和优化工具的功能、界面与主要函数进行了介绍,该工具能够用于分析相变蓄热墙体热工设计与地区气候的适宜性,便于建筑师在工程实践中实现相变蓄热墙体的优化设计。


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