內嵌管式圍護結構的瞬態傳熱模型及實驗研究

《內嵌管式圍護結構的瞬態傳熱模型及實驗研究》是依託華中科技大學，由徐新華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：內嵌管式圍護結構的瞬態傳熱模型及實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐新華
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

內嵌管式圍護結構可以充分依賴管內循環冷/熱水與內嵌管道壁面的大接觸面積的特點在低溫差傳熱條件下實現大的熱量傳遞，以充分利用低品位可再生能源，削弱室外氣候對室內環境的影響，對建築節能及可再生能源利用具有重要意義。本課題提出採用頻域有限差分法研究內嵌管式圍護結構在室外溫度，室內溫度及管內循環水外擾作用下的頻域熱特性；建立這種結構的動態熱網模型，並採用現代辨識理論根據頻域回響熱特性對該模型的參數進行辨識；建立基於傳熱單元法的內嵌管道循環水與結構本體換熱的熱交換模型，並與動態熱網模型耦合求解；建立這種結構的熱特性測試實驗平台，通過實驗驗證這種結構的熱特性理論分析方法及模型。基於上述基礎研究，進而研究這種結構的節能潛力及其對室內熱環境的影響、這種結構在不同氣候地區的適應性及設計理論與方法。

結題摘要

建築能耗的不斷攀升與能源的匱乏使得人們越來越注重去開發新的手段，新的技術去節約能源。內嵌管式圍護結構是一種新型的建築圍護結構。該結構是一種在牆體/屋頂內預埋管道利用管道內流體循環在牆體內部實現冷熱量轉移的建築圍護結構。由於該結構具有良好的蓄熱性能及管內冷/熱水與管壁面的大接觸面積的特點，因此可以在低溫差傳熱條件下實現大的熱量傳遞，從而可以充分利用低品位能來大大削弱室外氣候對室內環境的影響，減少室外向室內的傳熱，實現節能並提高室內熱舒適性。項目主要的研究內容與結果如下： 第一：採用CFD數值模擬的方法，建立了內嵌管式圍護結構和傳統牆體的CFD模型，並使用該模型研究了內嵌管式牆體以及傳統牆體在夏熱冬冷地區氣候條件下的傳熱特性，研究結果表明：內嵌管式圍護結構可以大大的減少室外向室內的傳熱量及牆體蓄熱量，降低了夏季/冬季時的室內冷/熱負荷，並提高熱舒適性。 第二：首次提出了內嵌管式圍護結構的頻域有限差分模型(即FDFD模型)以研究該結構在不同頻率外擾作用下的熱特性。並採用了CFD模型作為參照模型。兩個模型的計算結果表明FDFD模型比CFD模型更直觀，FDFD模型可以直接反映系統頻域熱特性，CFD模型只能計算出系統的時域熱特性，因此FDFD更加方便進行系統的頻域熱特性分析，並且FDFD模型在計算相同的工況時花費的時間比CFD模型少很多。 第三：首次提出內嵌管式圍護結構的簡化熱網模型(RC模型)並在頻域內對其參數進行辨識。為了解決辨識RC模型參數，以內嵌管式圍護結構頻域有限差分模型(FDFD模型)作為理論模型，通過遺傳算法(GA)辨識了內嵌管式圍護結構的RC模型的參數(熱阻和熱容)。結果表明基於理論模型的計算結果，當權重係數取值為1時，通過遺傳算法可以很好的辨識出內嵌管式圍護結構簡化熱網模型的參數。 第四：首次提出了內嵌管式圍護結構的準動態模型。該模型由簡化熱網模型和熱交換模型(Number of Transfer Units 模型，簡稱NTU模型)兩個部分耦合組成。通過該模型可以計算內嵌管式圍護結構沿著內嵌管道方向的傳熱，預測流體的出口溫度。本文以CFD模型作為參照模型對該準動態模型進行了驗證。結果表明內嵌管式圍護結構的準動態模型具有更強的使用性，更高的效率。 第五：搭建了內嵌管式圍護結構的實驗平台，根據實驗測量數據對模型進行了驗證。結果表明簡化方法和準動態模型都是正確的。