[发明专利]一种相变建筑围护结构热性能快速计算及优化法

说明书

本发明公开了一种相变建筑围护结构热性能快速计算及优化法。以2401种含相变材料（PCM）的建筑围护结构类型、参数取值涵盖所有常规配置的热性能数据库为基础，拟合出用于PCM围护结构热性能评估的参数组合模型方程，从而建立热性能快速计算及优化法。本发明方法计算简便，避免了现有技术需采用专业性较强的数值模拟或经济、时间成本较高的物理测试等手段，可被初学者或没有相变传热相关背景知识的工程师、建筑师用于对任一结构形式的含PCM层建筑围护结构热性能指标值的快速计算。本发明还可用于对任一相变围护结构中尚未确定或有待改进的主要因素值进行选取和优化计算，使处于设计中或待改造的相变围护结构达到最佳热性能水平。

技术领域

本发明属于建筑节能技术领域，具体涉及相变建筑围护结构热性能计算及优化技术。

背景技术

在建筑围护结构(包括墙体与屋顶等)内加入保温层可以有效提升围护结构的热阻值，从而满足建筑节能规范对围护结构热性能的要求。然而，保温材料往往也具有较低的热容值。在我国，尤其是中、南部地区，为了降低地基的荷载、节约建筑结构成本，越来越多建筑围护结构的厚度趋于减小；同时，为了达到节能要求，所用材料也趋于轻质化和空心化。于是，尽管达到所需的热阻值与传热系数值，围护结构的热容值与过去相比却显著下降。低热容值围护结构的内表面温度会随室外温度的变化而产生较大幅度的波动，从而在很大程度上影响室内的热舒适度，同时也导致空调设备的频繁启闭、不能保持长时间处于最佳工况运行，增加建筑设备的能耗。

相变材料(PCM)是一类可在常温下随温度的变化而发生相转变、并进行潜热的吸收与释放的一类物质，诸如石蜡、水合盐、脂肪酸等。PCM的潜热值一般显著高于常规建筑材料的比热值；并且，在相转变过程中，PCM自身温度不变或变化很小。因此若能将PCM合理引入建筑围护结构，则可有效稳定围护结构(尤其是轻质围护结构)内表面及室内的温度波动，提高室内热舒适度，降低能耗。同时，由于PCM还具有显著的温度波延迟效应，室外温度和热流的峰值(大约出现在下午两、三点钟)到达围护结构内表面的时刻将被显著延后，在傍晚甚至晚间才能进入室内环境。此时，建筑周围的环境温度已较低、且处于峰谷电价的谷时时段。对进入室内的、已被显著削弱的温度和热流波峰的处理，不仅有利于室内热环境的控制，所用电的价格也较为廉价，提高了热舒适性与经济性。因此，PCM在建筑围护结构中的应用是一个极具潜力的方式。

于是，如何在建筑围护结构中合理使用PCM，以及如何快速、准确地评估含PCM围护结构的热性能，成为亟待研究和解决的问题。

现有研究表明，PCM的合理应用与多重因素有关，包括所用PCM的厚度、潜热、相变温度、导热系数以及放置位置等。这些研究工作是在将其它因素取为固定值时改变单个目标因素值的情况下分析得到的。然而，最新研究发现，当其它因素的取值水平不同时，单个因素值的变化对围护结构热性能的影响也是变化的[1-3]。因此，以上的研究结论具有潜在的局限性和不确定性。发明人通过改变其它因素的取值水平、针对单个因素变化对热性能的影响进行了多组动态分析[2,3]，并用正交设计法分析了可能影响因素及其重要性[4]，总结得到相变建筑围护结构热性能主要由以下四个影响因素决定：

因素A：相变温度位置，即所用PCM的相变温度在围护结构两侧环境温度间的位置；

因素B：围护结构总热阻值；

因素C：PCM层在围护结构中所处的热阻位置；

因素D：所用PCM的总潜热。

PCM围护结构热性能的评估主要分为数值模拟和物理测试两个方面。对于相变传热领域的专业工作者而言，数值模拟(通过编程或商业软件对相变围护结构热性能进行模拟计算)是一种快速、经济的有效评估手段；然而，这对初学者以及没有相关知识背景的工程师与建筑师来说却难以快速上手。物理测试(通过实验室或现场测试获取相变围护结构传热数据、并经后期计算得到其热性能)的缺点主要是经济性较差以及较长的测试周期等；同时，建筑室内外热环境条件是难以准确控制的因素之一，从而影响所得数据的准确性。