熱激活建筑能源系統集成設計與應用

(1)本書明確了在建筑部門開展能源的“開源節流”工作，相關成果是建筑節能減排，應對能源短缺的重要手段，符合我國“3060雙碳”重大戰略要求。 (2)本書針對建筑維護結構保溫隔熱方法與技術進行了系統和創新性的綜述，對目前熱激活建筑能源系統存在的問題提出了一系列改善和優化的建議，對該領域多項技術進行了深入對比，并針對現有工作的不足和局限性提出了新的熱激活建筑能源系統。 (3)本書圍繞被動式熱激活建筑能源系統在非透光建筑圍護結構中的集成設計和應用所涉及的相關問題進行了探討；介紹了熱激活復合墻體的動態傳熱特性及其仿真模擬，提出了熱激活復合墻體熱特性的評價方法和具體指標，可為工程師和建筑師提供重要的熱激活建筑能源系統及建筑一體化集成設計與應用參考。

作為建筑的基本節點和構成單元，圍護結構始終是制約低能耗建筑設計和建筑節能工作的薄弱環節。本書從突出圍護結構能量屬性的角度入手，將適于建筑利用的低品位能源與建筑構件耦合形成低能動的一體化節能與供能系統，提出了被動式熱激活建筑系統（Passive Thermo-activated Building System，PTABS）及其應用形式。同時，圍繞“建筑集成用回路熱管的啟動和能量傳輸特性”與“被動式熱激活復合墻體熱特性及其影響因素耦合作用機制”兩個關鍵科學問題對PTABS開展了系統性應用基礎研究，并借助集成設計、實驗檢測、仿真模擬和性能評價等研究手段獲得了PTABS的集成設計方法、主要性能參數、總體優化策略和成套相應數據等。 首先，本書深入調研了當前建筑保溫隔熱方法和技術的研究現狀，并從不同維度闡述了圍護結構負荷形成及現有研究的不足。在此基礎上，圍繞一體化及模塊化集成設計與應用對PTABS的運行機制、應用范圍和控制策略等進行了全面闡述。 其次，本書設計并搭建了PTABS能量傳輸特性實驗檢測系統，實測結果表明：PTABS在不同工況下均可成功啟動并維持運行，而冷凝段熱阻在總熱阻中占比最大（約占58.4%～94.4%），因此冷凝段是制約PTABS能量傳輸效率的主要瓶頸；不同工況下PTABS的最佳充液率并非固定值，PTABS應用于保溫隔熱和中性情景時可適當降低充液率以獲得更高的啟動速度，而應用于輔助供能或直接供能情景時可適當提高充液率以獲得較低的注熱熱阻；復合墻體中注入熱量近似呈線性變化趨勢，因此PTABS具備長期穩定的注熱能力并實現不同預期設計目的；蒸發器安裝位置和角度對PTABS的能量傳輸特性有著重要影響，工質重力在正/反向啟動與運行過程中的作用完全不同。 再次，本書基于瞬態傳熱模型展開了復合墻體熱工性能模擬，研究表明：由注入能量所形成的虛擬溫度界面可有效阻遏甚至完全阻斷室內外熱環境間的熱量傳遞；隨著冷源溫度下降或熱源溫度上升，PTABS的注能能力隨之增強，復合墻體負荷降幅也隨之增大并超過100%，同時內表面溫度也逐漸接近并在冬季超過（在夏季低于）室內溫度，圍護結構負荷和熱舒適性綜合提升效果顯著；在注入能量影響下，復合墻體外表面冷/熱損失有所上升，但額外損失僅占注入能量的約10%。 最后，基于復合墻體熱特性的不確定性和全局敏感性分析方法及評價體系，本書探索了3類共12種輸入參數對3類/6種熱特性輸出結果的影響規律及其交互作用機制，結果表明：不同應用情景下的復合墻體熱特性顯著性影響因素基本一致，而嵌管直徑、朝向、嵌管層熱容、嵌管熱導率和輻射熱吸收系數在PTABS的設計、建造與運行中可適當予以忽略；熱源溫度和室內設定溫度是影響復合墻體熱特性最為關鍵的兩個因素，二者在除外表面冷/熱損失的其他指標中存在顯著的相互制約關系；直接型PTABS可不受注熱/冷時長限制，而間接型PTABS或TABS需綜合考慮負荷改善和泵耗情況，最低注熱/冷時長的推薦值為冬季6 h或夏季8 h；適當提升嵌管層熱導率有利于注入能量擴散和熱堆積現象緩解，過大則會導致外表面冷/熱損失增大，適宜范圍為0.5～2.75 W/（m·℃）；氣候區對復合墻體負荷的不確定性影響大幅降低，也不再是影響內表面熱舒適性的主要因素；從能量密度指標看，嵌管間距優選區間為100～250 mm；若復合墻體僅應用于夏季隔熱情景，嵌管層可適當靠近墻體內表面設置，否則應優先考慮嵌管位置對冬季熱特性的影響，而不同集成方式并不會對夏季熱特性產生明顯影響。 綜上所述，本書的研究結果支撐了被動式熱激活建筑圍護結構技術在降低建筑能耗和改善室內熱舒適性方面的巨大潛力，拓展并豐富了現有低能耗建筑技術方向和體系，同時也為被動式熱激活建筑系統在實際應用中的設計與應用奠定了堅實的理論方法和基礎。 本書共8章，其中第1～第5章由楊洋編著；第6～第8章由陳薩如拉和楊洋共同編著。 限于編著時間及水平，書中不足與疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。 楊洋 2021年9月

楊洋，合肥工業大學建筑與藝術學院講師，工學博士，主要研究方向為：1）低品位與可再生能源建筑一體化及高效利用； 2）建筑熱環境與建筑節能；3）低碳建筑技術與集成應用；4）城市熱環境及其與建筑的交互作用。曾就職于國家能源集團以及亞太經合組織可持續能源中心，現擔任Applied Energy、Energy Conversion and Management、Renewable Energy等國際期刊審稿人；在國內外期刊發表論文10余篇、申請或授權發明專利50余項，其中熱激活建筑能源系統與應用方面發明專利15項；主持APEC基金項目、天津市博士科研創新項目和合肥工業大學引進博士科研項目等縱向課題3項，同時作為骨干科研人員參與自然科學基金、重點研發計劃、天津市自然科學基金、安徽省住建廳科技項目及其它企事業委托橫向項目共計12項。

本書共8章，首先圍繞能源概況與建筑能耗現狀及趨勢和節能建筑發展現狀及趨勢進行了討論；隨后從不同維度針對建筑圍護結構保溫隔熱方法與技術的參數和特點進行了分析和對比，針對現有工作的不足和局限之處提出了新的激活建筑能源系統，探討了被動式熱激活建筑能源系統在非透光建筑圍護結構中的集成設計和應用、被動式熱激活建筑能源系統能量傳輸特性，采用仿真模擬手段研究了被動式熱激活復合墻體的熱工性能，分析了被動式熱激活復合墻體不確定性和敏感性；最后展望了熱激活建筑能源系統未來的發展方向。 本書具有較強的創新性和實用性，可供從事暖通系統設計和設備研發、低碳建筑設計與建筑節能、超低能耗和零能耗住宅施工和運維、低品位與可再生能源高效利用等工作的相關研發人員、設計人員、工程人員參考，也可供高等學校土木工程、能源工程、環境工程及相關專業師生參閱，還可為從事碳減排與碳中和等相關政策制定的政府人員和企業決策人員提供技術和數據參考。

第1章 緒論 1
1.1 建筑能耗現狀及趨勢 		1
1.2 節能建筑發展現狀及趨勢 		3
參考文獻 		4

第2章 建筑圍護結構保溫隔熱方法與技術 5
2.1 無源靜態保溫隔熱技術 		5
2.2 無源動態保溫隔熱技術 		8
2.2.1 技術簡介	8
2.2.2 基于載體密度變化的無源DTI技術	9
2.2.3 基于載體位置變化的無源DTI技術	13
2.2.4 基于懸浮顆粒遷移的無源DTI技術	16
2.2.5 基于載體相態變化的無源DTI技術	18
2.3 有源保溫隔熱技術 		24
2.3.1 技術簡介	24
2.3.2 基于流體的有源DTI技術	24
2.3.3 基于固體的有源DTI技術	32
2.4 圍護結構保溫隔熱方法與技術對比分析 		39
2.4.1 圍護結構負荷形成的不同維度解釋	39
2.4.2 不同保溫隔熱方法與技術對比	40
2.5 熱激活建筑能源系統現有研究的指導意義 		44
參考文獻 		44

第3章 被動式熱激活建筑能源系統集成設計51
3.1 熱管技術簡介及建筑應用 		51
3.1.1 熱管技術簡介	51
3.1.2 熱管技術建筑應用	52
3.2 被動式熱激活建筑能源系統的提出與應用 		53
3.2.1 被動式熱激活建筑能源系統的提出	53
3.2.2 被動式熱激活建筑能源系統的應用	57
3.3 建筑圍護結構集成用TPTL的設計 		58
3.3.1 建筑集成用TPTL的工質選取	59
3.3.2 建筑集成用TPTL的管材選取	60
3.4 被動式熱激活復合墻體的集成設計 		61
3.4.1 熱激活混凝土墻體能源系統集成方式	61
3.4.2 熱激活磚砌墻體能源系統集成方式	61
3.4.3 熱激活砌塊墻體能源系統集成方式	62
3.4.4 熱激活輕質墻體能源系統集成方式	63
參考文獻 		65

第4章 被動式熱激活建筑能源系統能量傳輸特性67
4.1 實驗檢測系統及測試方法介紹 		67
4.1.1 實驗裝置設計與搭建	67
4.1.2 監測數據與儀器設備	71
4.1.3 檢測方案及檢測步驟	72
4.1.4 實驗數據處理方法	75
4.1.5 不確定度分析	77
4.2 正向啟動與循環過程熱特性分析 		77
4.2.1 直接啟動過程瞬態熱響應特性	77
4.2.2 間歇啟動過程瞬態熱響應特性	84
4.3 關鍵性能參數對啟動與循環過程的影響分析 		90
4.3.1 充液率和熱源溫度對系統熱阻影響	90
4.3.2 充液率和熱源溫度對啟動速度影響	91
4.4 正向持續運行過程熱特性分析 		92
4.4.1 瞬態熱響應特性	92
4.4.2 溫度場分布	95
4.4.3 熱阻與注熱特性	97
4.5 反向啟動與循環過程熱特性分析 		98
4.5.1 系統壓降與重力作用分析	98
4.5.2 瞬態熱響應特性	101
4.5.3 溫度場分布	104
參考文獻 		106

第5章 被動式熱激活復合墻體熱工性能107
5.1 被動式熱激活復合墻體熱工性能 		107
5.1.1 ANSYS Workbench軟件介紹	107
5.1.2 幾何模型	109
5.1.3 網格劃分	110
5.2 被動式熱激活復合墻體數學模型 		111
5.2.1 三維非穩態傳熱過程	111
5.2.2 控制方程與單值性條件	112
5.3 被動式熱激活復合墻體模型驗證 		113
5.3.1 網格獨立性驗證	113
5.3.2 數學模型實驗驗證	116
5.4 夏季工況傳熱分析 		118
5.4.1 復合墻體表面熱響應特性	119
5.4.2 復合墻體內部溫度場	125
5.5 冬季工況傳熱分析 		128
5.5.1 復合墻體表面熱響應特性	128
5.5.2 復合墻體內部溫度場	134
參考文獻 		136

第6章 被動式熱激活復合墻體不確定性和敏感性分析方法137
6.1 不確定性和敏感性分析工作流程 		137
6.2 復合墻體熱特性不確定度表征 		139
6.2.1 輸入參數篩選	139
6.2.2 輸入參數范圍確定	140
6.2.3 抽樣設計方法	141
6.2.4 抽樣設計結果	142
6.3 復合墻體熱特性全局敏感性分析方法選用 		148
6.3.1 敏感性分析方法簡介	148
6.3.2 全局敏感性分析方法選擇	150
6.3.3 R語言簡介	154
6.3.4 輸入參數相關性分析	154
6.4 熱激活復合墻體熱特性評價方法 		155
參考文獻 		157

第7章 被動式熱激活復合墻體熱特性全局敏感性分析159
7.1 基于冬季保溫情景的復合墻體熱特性分析 		159
7.1.1 熱激活特性全局敏感性分析	160
7.1.2 內外表面傳熱特性全局敏感性分析	168
7.1.3 內表面熱舒適度特性全局敏感性分析	177
7.1.4 輸入參數綜合排序結果及分析	187
7.2 基于夏季隔熱情景的復合墻體熱特性分析 		192
7.2.1 熱激活特性全局敏感性分析	192
7.2.2 內外表面傳熱特性全局敏感性分析	197
7.2.3 內表面熱舒適度特性全局敏感性分析	203
7.2.4 輸入參數綜合排序結果及分析	210

第8章 研究展望與新型熱激活建筑能源系統節能應用215
8.1 熱激活建筑能源系統研究總結與展望 		215
8.1.1 本書研究成果簡述	215
8.1.2 熱激活建筑能源系統研究展望	218
8.2 模塊化熱激活建筑能源系統節能應用 		219
8.2.1 模塊化熱激活混凝土墻體能源系統	219
8.2.2 模塊化熱激活磚砌墻體能源系統	221
8.3 固體基熱激活建筑能源系統節能應用 		221
8.4 輕質建筑中熱激活建筑能源系統節能應用 		223
參考文獻 		226

附錄 主要符號及縮略語227
附錄1 主要符號及單位 		227
附錄2 縮略語 		228