【摘 要】
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我国青藏高原地区气候极端严酷,冬季寒冷漫长,昼夜温差大。受自然条件和经济发展水平限制,当地房屋建造水平仍处于落后状态,室内热环境恶劣,难以满足当地居民对宜居美好生活向往的需求。近些年来,被动式装配式建筑在充分利用被动太阳能的同时,具有构件质量好、现场湿作业少、施工受外界影响小、绿色环保等优势,是改善我国边远高海拔地区建筑构造水平、提升建筑性能的有效途径。然而,轻质装配式建筑围护结构多采用密度较低的
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目(区域联合)U20A20311“高原藏区零能耗宜居建筑设计理论与关键技术研究”(U20A20311); 陕西省教育厅2021年度青年创新团队建设科研计划项目“强辐射波动太阳能蓄热水体蓄取热规律及防过热优化设计研究”(21JP060);
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我国青藏高原地区气候极端严酷,冬季寒冷漫长,昼夜温差大。受自然条件和经济发展水平限制,当地房屋建造水平仍处于落后状态,室内热环境恶劣,难以满足当地居民对宜居美好生活向往的需求。近些年来,被动式装配式建筑在充分利用被动太阳能的同时,具有构件质量好、现场湿作业少、施工受外界影响小、绿色环保等优势,是改善我国边远高海拔地区建筑构造水平、提升建筑性能的有效途径。然而,轻质装配式建筑围护结构多采用密度较低的保温材料,虽然保温性能较好,但蓄热系数小、热惰性差,在高原地区极端气象条件下易导致室内热环境稳定性差、温度波动大等问题。基于相变材料的相变滞后性能,在西藏阿里地区将相变材料与轻质装配式建筑结合,提升轻质装配式建筑蓄热能力,降低建筑能耗,提升建筑室内热环境水平。本文建立了基于相变滞后储热的建筑围护结构传热模型,探究室内外波动条件下相变滞后储能建筑围护结构传热特性;建立相变滞后储能轻质装配式建筑能耗模型,分析相变材料熔化/凝固过程的滞后温差、相变温度、相变材料位置、用量等参数对建筑能耗的影响规律;分析了不同工况下轻质装配式建筑室内温度、墙体表面温度及热负荷的变化规律,提出了相变材料滞后温度、厚度、位置等关键参数的确定方法;基于静态回收期方法评估了相变滞后储能轻质装配式建筑的经济性。获得了以下主要结论:(1)建立了滞后相变建筑围护结构的数值模型,结果表明滞后相变模型比无滞后相变模型更为精确。滞后相变材料铺设于靠近墙体内表面时,室内温度波动最小。当相变温度在18~26℃范围内逐渐升高时,其蓄放热速率减小,墙体最低表面温度增加,但相变温度超过24℃后,继续增加相变材料温度,对墙体表面传热性能的提升作用减弱。(2)对比分析了四种不同的相变材料对被动式装配建筑室内热环境的影响,与不使用相变材料相比,当南向墙体使用Na2SO4·10H 2O相变滞后储能材料时,建筑能耗最大降低了36.5%。与其他三种相变材料相比,室内最低平均空气提高了3.64℃~5.78℃,室内温度波动幅度降低了3.73℃~15.51℃,滞后相变储能建筑室温满足室内要求(15℃以上)的时间延长了7.4h。(3)选取Na2SO4·10H 2O作为研究对象,分析了相变滞后温差和相变材料用量对建筑室内热环境的影响。当滞后温差为6℃时,室内空气温度处于舒适温度16℃~24℃范围内的时间可长达9.7~11.5h,较其他滞后温差时满足舒适温度区间的时长延长约2.6~3.7h,供暖期轻质装配式建筑所需要的供暖能耗最低。当相变层超过15mm时,继续增加相变层厚度,节能率的变化不再明显,相变材料的用量应综合考虑节能效果和经济性。(4)分析有无相变滞后储能对轻质装配式建筑室内热环境及建筑能耗的影响,当在供暖季轻质装配式建筑中使用相变滞后储能材料时,对建筑室内温度的改善作用较明显。与普通相变材料相比,采用相变滞后储能材料后,客厅满足热舒适要求的时间延长了4.5 h,卧室则延长了6.2小时。采用相变滞后储能材料建筑能耗降低了47.8%。在西藏阿里轻质装配式建筑中采用相变滞后储能材料时,静态回收期约为5.03年,与采用普通无滞后相变储材料相比,静态回收期缩短了3.78年。基于以上研究掌握了相变滞后储能材料对轻质装配式建筑室内热环境的影响规律,获得了相变储能轻质装配式建筑关键参数的设计方法,为青藏高原地区相变储能被动式轻质装配建筑的推广应用提供理论依据。
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