混凝土輻射供冷建筑熱動態(tài)特性研究結(jié)題摘要

混凝土輻射供冷技術(shù)以其節(jié)能、舒適等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。由于建筑得熱及空調(diào)運行過程均具有動態(tài)變化的特點，只有充分研究混凝土輻射供冷系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，并在設(shè)計和運行控制階段充分利用，才能完全實現(xiàn)該空調(diào)方式的節(jié)能效果。 本課題首先利用RC（熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)法）、反應(yīng)系數(shù)法和頻域回歸法分別建立混凝土輻射供冷樓板簡化傳熱計算模型；之后搭建混凝土輻射供冷樓板系統(tǒng)的全尺寸標(biāo)準(zhǔn)實驗艙并利用實驗艙測得的實驗數(shù)據(jù)對簡化傳熱模型進(jìn)行驗證，在此基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 數(shù)學(xué)軟件對簡化傳熱模型進(jìn)行程序設(shè)計，建立起圖形用戶窗口界面（GUI）；最后利用TRNSYS模擬軟件和簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板供冷房間的熱動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究。 本課題的主要研究成果包括： （1）根據(jù)歐盟EN 14240、ASHRAE standard138和我國頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建造完善輻射供冷末端性能測試平臺并對實驗平臺性能進(jìn)行測試評定，測試結(jié)果表征與歐盟平臺測試結(jié)果吻合一致，達(dá)到設(shè)計要求。 （2）利用RC（熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)法）、反應(yīng)系數(shù)法和頻域回歸法建立混凝土輻射供冷樓板簡化傳熱計算模型，并對所建立的簡化傳熱模型進(jìn)行實驗驗證：穩(wěn)態(tài)工況下，簡化傳熱模型熱流密度計算誤差在6%以內(nèi)，表面溫度計算誤差在0.3℃以內(nèi)，非穩(wěn)態(tài)工況下，熱流密度計算誤差在9%以內(nèi)，表面溫度計算誤差在0.7℃以內(nèi)，之后利用 MATLAB 數(shù)學(xué)軟件對簡化傳熱模型進(jìn)行程序設(shè)計，建立起圖形用戶窗口界面（GUI）； （3）通過實驗、模擬及理論分析相結(jié)合的方式，對混凝土輻射供冷房間的蓄放熱動態(tài)特性進(jìn)行了研究，分析供水側(cè)參數(shù)變化、房間側(cè)參數(shù)變化和空調(diào)啟停過程中供冷房間熱動態(tài)響應(yīng)規(guī)律； （4）利用所建立的簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板動態(tài)傳熱過程進(jìn)行分析計算，得到各參數(shù)對蓄熱層厚度的影響規(guī)律并通過計算得到工程中常用混凝土輻射供冷樓板結(jié)構(gòu)形式的蓄熱層厚度：在無保溫層的情況下50-130mm，有保溫層的情況下100-200mm； （5）利用簡化傳熱模型對混凝土輻射供冷樓板熱動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究得到室內(nèi)得熱與水側(cè)冷負(fù)荷轉(zhuǎn)化關(guān)系并借此得到在混凝土輻射供冷樓板供冷能力下該系統(tǒng)的運行控制策略。 通過以上實驗研究和模型擴(kuò)展分析，形成一般性規(guī)律，可以指導(dǎo)混凝土輻射供冷系統(tǒng)設(shè)計和運行。 2100433B

混凝土輻射供冷是一種節(jié)能舒適的建筑空調(diào)技術(shù)?；炷凛椛涔├浞绞较陆ㄖ徇^程與空調(diào)系統(tǒng)供冷過程存在直接的耦合作用，所以其動態(tài)熱過程必將受到建筑蓄熱和室內(nèi)環(huán)境控制的影響和限制。由于其中耦合作用規(guī)律未被系統(tǒng)認(rèn)知，混凝土輻射供冷系統(tǒng)的實際運行節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。本課題采用理論模擬分析、實驗研究和工程測試相結(jié)合的研究方法，以混凝土輻射供冷建筑房間為研究主體，進(jìn)行供冷末端非穩(wěn)態(tài)傳熱模型、房間的熱響應(yīng)和蓄放熱動態(tài)特性研究，揭示室內(nèi)熱舒適、房間得熱、供能調(diào)節(jié)以及建筑體蓄放熱在房間蓄傳熱過程和空調(diào)供冷過程中的相互作用規(guī)律，獲得混凝土輻射供冷方式下房間得熱-負(fù)荷轉(zhuǎn)化衰減和延遲的一般性規(guī)律和數(shù)學(xué)計算方法、房間供冷蓄冷過程與室內(nèi)熱舒適相互關(guān)聯(lián)作用關(guān)系以及房間其他蓄熱體對供冷蓄冷過程的定量影響規(guī)律，為完善混凝土輻射供冷技術(shù)體系，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和制定節(jié)能舒適的運行調(diào)控策略提供理論指導(dǎo)。

針對我國三北地區(qū)因風(fēng)熱沖突而導(dǎo)致的風(fēng)電消納困難，本研究將建筑儲熱納入到我國電熱能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行體系中，以充分發(fā)揮與電力系統(tǒng)耦合的熱力系統(tǒng)的柔性，提高電力系統(tǒng)靈活運行能力，促進(jìn)可再生能源大規(guī)模消納。通過研究建筑熱動態(tài)特性，探尋適用于電熱協(xié)調(diào)運行的簡化而有效的建筑熱動態(tài)特性模型，建立熱電廠供熱區(qū)域內(nèi)建筑熱負(fù)荷的總體模型，研究考慮建筑熱動態(tài)特性的電熱協(xié)調(diào)運行模型，為促進(jìn)大規(guī)模可再生能源消納提供理論參考。

冷熱電聯(lián)供是近些年國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的一種能源供應(yīng)形式。它可以利用低品位余熱，實現(xiàn)能源梯級利用。因此，將其應(yīng)用到建筑中去節(jié)能潛力巨大。然而由于缺乏對建筑物負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測，致使設(shè)備選型不合理，系統(tǒng)長期處于較低部分負(fù)荷率下運行；此外對系統(tǒng)的動態(tài)變工況性能的研究很少，使得系統(tǒng)缺乏有效的動態(tài)控制，可靠性較差。圍繞上述問題，該項目首先研究人員分布和流動以及外部氣候參數(shù)動態(tài)變化對建筑物各區(qū)冷、熱、電負(fù)荷的影響，建立綜合考慮人員和氣候隨機因素的建筑物分區(qū)動態(tài)負(fù)荷預(yù)測模型；其次，建立基于最優(yōu)化控制策略的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，確立高效數(shù)值算法；再次，研究建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)全年工況的控制算法以及系統(tǒng)內(nèi)部各參量的動態(tài)變化特性；最后，通過構(gòu)建實驗平臺，對模型進(jìn)行驗證。通過上述研究，形成一套包括建筑物動態(tài)負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)動態(tài)控制和變工況優(yōu)化運行在內(nèi)的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分析設(shè)計理論，為相關(guān)研究提供指導(dǎo)和理論支撐。

本項目采用計算模擬和實驗方法對脈沖電流驅(qū)動模式下熱電制冷的系統(tǒng)動態(tài)特性及其優(yōu)化與控制進(jìn)行了深入的理論分析與實驗研究。通過對熱電制冷系統(tǒng)建立非穩(wěn)態(tài)模型，探索了脈沖式熱電制冷的動態(tài)物理過程特性及其特征參數(shù)變化規(guī)律，同時也研究了脈沖驅(qū)動模式與熱電制冷的高效耦合機制，并獲得了最佳脈沖驅(qū)動模式與優(yōu)化調(diào)控方法，為后續(xù)實驗提供了理論指導(dǎo)；與此同時，亦研究了變工況及動態(tài)工作條件下熱沉與脈沖式熱電制冷的匹配關(guān)系，并提出了適合脈沖式熱電制冷的高效經(jīng)濟(jì)的熱沉方式及其優(yōu)化匹配方法，且對脈沖式熱電制冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化分析，獲得了其系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。此外，搭建及調(diào)試了脈沖熱電制冷實驗臺并進(jìn)行了相關(guān)變工況實驗，而實驗結(jié)果與理論模擬結(jié)果的高度接近表明了前期理論模擬數(shù)學(xué)模型的正確性。實驗探索了脈沖參量變化對熱電制冷工作特性和可靠性的影響關(guān)系，研究了非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程中熱電模塊與散熱端熱沉之間的耦合傳熱特性。課題組在熱電制冷方向發(fā)表的已標(biāo)注基金國際期刊論文有14篇，已為SCI、EI等檢索并引用，取得了一定的研究成果，且基于該課題研究已申請兩項發(fā)明專利，其中一項已授權(quán)。本課題從更深的層次上揭示了非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，進(jìn)一步豐富了熱電制冷的理論體系，同時為在電子器件主動冷卻方面應(yīng)用脈沖式熱電制冷技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)。 2100433B