光熱作用下PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型與結(jié)構(gòu)分析方法研究

太陽(yáng)能電池（Photovoltaics，PV）與ETFE氣枕結(jié)構(gòu)結(jié)合的建筑是低耗能、可持續(xù)和環(huán)境友好的光伏一體化建筑結(jié)構(gòu)。利用PV光電光熱性能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，電能供建筑使用而熱能用于改善建筑熱性能，進(jìn)而形成綠色可持續(xù)膜建筑，從建筑角度改善能源短缺和環(huán)境污染。PV動(dòng)態(tài)光熱效應(yīng)顯著改變ETFE薄膜力學(xué)特性、氣枕熱環(huán)境和熱結(jié)構(gòu)性能。因此，既有ETFE薄膜力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)分析方法不適宜計(jì)算PV-ETFE氣枕建筑及結(jié)構(gòu)性能。本項(xiàng)目以PV-ETFE氣枕建筑存在的共性和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為核心，針對(duì)三個(gè)主要方面：光熱作用下氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)變化機(jī)理及其模型；熱-流-結(jié)構(gòu)作用PV-ETFE氣枕力學(xué)特性；典型天氣下PV-ETFE氣枕建筑系統(tǒng)性能研究。分析了ETFE薄膜熱-力學(xué)和高溫徐變性能、建立了PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型、提出了PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的非線性分析方法等，旨在揭示材料熱-力學(xué)性能、熱荷載分布和結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)在聯(lián)系，為PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)計(jì)算提供準(zhǔn)確可靠的解決方法。本項(xiàng)目取得的主要研究進(jìn)展、重要結(jié)果、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等概括如下。通過(guò)分析ETFE氣枕建筑內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)等，建立了ETFE氣枕建筑熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型，為氣枕結(jié)構(gòu)力學(xué)分析提供荷載基礎(chǔ)；基于ETFE薄膜熱-力學(xué)性能和高溫徐變性能，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了材料時(shí)間溫度等效特性，分析了PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)力學(xué)；改造了已有氣枕屋頂模型，基于三維全景方法測(cè)量的氣枕形狀計(jì)算了結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)；通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證了所提出方法的正確性。解決了PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)作用機(jī)理和熱-流-結(jié)構(gòu)耦合作用兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。其科學(xué)意義或應(yīng)用前景為建立了考慮光熱作用和ETFE熱-力學(xué)特性的PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的非線性分析理論，掌握了平面氣枕彈塑性機(jī)理及其快速成形技術(shù)。該理論和技術(shù)將促進(jìn)PV-ETFE氣枕建筑結(jié)構(gòu)在體育館、航站樓、溫室等大跨空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

PV-ETFE氣枕建筑是低耗能、可持續(xù)和對(duì)環(huán)境友好的光伏一體化建筑。由于PV（太陽(yáng)能電池）的動(dòng)態(tài)光熱效應(yīng)顯著改變ETFE薄膜力學(xué)特性、氣枕熱環(huán)境和熱結(jié)構(gòu)特性，既有ETFE薄膜力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)分析方法不適宜分析PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)特性。針對(duì)PV-ETFE氣枕體系的共性和特殊問(wèn)題，本項(xiàng)目將研究光熱作用下氣枕的動(dòng)態(tài)性能和求解方法，包括：通過(guò)ETFE薄膜的DMA試驗(yàn)和高溫徐變?cè)囼?yàn)，分析ETFE薄膜熱-力學(xué)性能與時(shí)溫等效性能；考慮PV光熱效應(yīng)的動(dòng)態(tài)作用，建立氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型；提出基于熱-流-結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)特性分析方法，進(jìn)行氣枕模型試驗(yàn)驗(yàn)證理論和方法的正確性。本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)該領(lǐng)域國(guó)際前沿，旨在揭示材料熱-力學(xué)性能、熱荷載分布和結(jié)構(gòu)特性的內(nèi)在作用機(jī)理，掌握PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析理論方法，促進(jìn)PV-ETFE氣枕發(fā)展應(yīng)用。

我國(guó)建筑能耗不斷攀升，到2030年，建筑能耗比例將升至約40%。提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性是降低建筑運(yùn)行能耗的重要手段之一。本項(xiàng)目將從理論上分析相變材料厚度、相變潛熱、相變溫度、比熱容、熱導(dǎo)率等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響；建立考慮相變吸/放熱及熱物性參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)傳熱模型；搭建雙層定型相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)房，進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱特性實(shí)驗(yàn)；在不同室外環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境及相變材料吸/放熱多外擾作用下，模擬和實(shí)驗(yàn)研究該結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程的規(guī)律，揭示相變材料對(duì)該結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程的影響機(jī)理，為發(fā)展高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供理論支持。目前常見(jiàn)的單層定型相變材料?在室內(nèi)或者室外使用往往只能在夏季或冬季發(fā)揮作用，為改善全年室內(nèi)熱環(huán)境，降低全年建筑運(yùn)行能耗，且減少墻體改裝面積，本項(xiàng)目提出一種新型的雙層定型相變墻體。具體做法為在建筑物外墻內(nèi)外表面均添加定型相變材料板，外層相變板具有較高的相變溫度，在夏季發(fā)揮作用，內(nèi)層相變板具有較低的相變溫度，在冬季發(fā)揮作用。本文中的雙層定型相變墻板用于建筑南外墻，該研究主要分析了相變材料厚度、相變溫度對(duì)建筑運(yùn)行能耗和建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響?最后根據(jù)節(jié)能率性及經(jīng)濟(jì)性因素得出了相變墻板的推薦使用厚度及其對(duì)應(yīng)的相變溫度，為該結(jié)構(gòu)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。雙層定型相變墻體能夠在夏季隔熱、冬季保溫，降低建筑物的運(yùn)行能耗并提高了室內(nèi)的熱舒適性。為了更有效地發(fā)揮相變墻體的作用，分析了雙層定型相變墻體在空調(diào)房間的使用效果，對(duì)比分析在裝有變頻空調(diào)和定頻空調(diào) 2 種房間的運(yùn)行能耗，結(jié)果表明：在裝有變頻空調(diào)的房間，雙層定型相變墻體比普通墻體更加節(jié)能，變頻空調(diào)能更有效地發(fā)揮定型相變墻體的自動(dòng)調(diào)溫作用。選取各氣候區(qū)典型城市的氣象數(shù)據(jù)作為模擬條件，對(duì)比相變房間與普通房間的模擬結(jié)果，分析定型相變墻體在各典型氣候區(qū)的適用性，同時(shí)得出節(jié)能潛力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的定型相變材料厚度及相變溫度參考值，為該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供參考。 2100433B

申請(qǐng)人基于前期對(duì)層式通風(fēng)的探索研究，提出了一種新的通風(fēng)模式，即將層式通風(fēng)與間歇送風(fēng)耦合。此通風(fēng)方法的原理是，在層式通風(fēng)下，將新鮮空氣間歇地送到人的呼吸區(qū)，在不降低室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)，提升室內(nèi)熱舒適。主要研究?jī)?nèi)容包括以下四方面。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論分析，確定間歇送風(fēng)耦合層式通風(fēng)的氣流組織分布，以及氣流動(dòng)態(tài)特性。其次，通過(guò)主觀調(diào)研，探究間歇送風(fēng)耦合層式通風(fēng)的熱舒適水平，及對(duì)傳統(tǒng)通風(fēng)模式下的熱舒適提高程度。再次，進(jìn)行間歇送風(fēng)耦合層式通風(fēng)的參數(shù)研究，包括得出各參數(shù)對(duì)通風(fēng)性能的影響的大小，優(yōu)化室內(nèi)三維瞬態(tài)CFD 計(jì)算模型，探究實(shí)際工程中參數(shù)的運(yùn)行控制。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)學(xué)建模等，進(jìn)行層式通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。本項(xiàng)目研究成果可為廣泛推行提高夏季空調(diào)室溫的行政倡導(dǎo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 2100433B

本書(shū)闡述了建筑結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用分析方法。書(shū)中介紹了幾種線彈性地基上共同作用的線性分析方法，包括雙梁體系和一層框架結(jié)構(gòu)體系兩種模型的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，對(duì)上部結(jié)構(gòu)經(jīng)連續(xù)化處理后的有限差分法和加權(quán)殘數(shù)法、子結(jié)構(gòu)分析方法。