光热作用下PV-ETFE气枕热环境动态模型与结构分析方法研究结题摘要

太阳能电池（Photovoltaics，PV）与ETFE气枕结构结合的建筑是低耗能、可持续和环境友好的光伏一体化建筑结构。利用PV光电光热性能将太阳能转化为电能和热能，电能供建筑使用而热能用于改善建筑热性能，进而形成绿色可持续膜建筑，从建筑角度改善能源短缺和环境污染。PV动态光热效应显著改变ETFE薄膜力学特性、气枕热环境和热结构性能。因此，既有ETFE薄膜力学模型与结构分析方法不适宜计算PV-ETFE气枕建筑及结构性能。本项目以PV-ETFE气枕建筑存在的共性和关键科学问题为核心，针对三个主要方面：光热作用下气枕热环境动态变化机理及其模型；热-流-结构作用PV-ETFE气枕力学特性；典型天气下PV-ETFE气枕建筑系统性能研究。分析了ETFE薄膜热-力学和高温徐变性能、建立了PV-ETFE气枕热环境动态模型、提出了PV-ETFE气枕结构的非线性分析方法等，旨在揭示材料热-力学性能、热荷载分布和结构性能的内在联系，为PV-ETFE气枕结构计算提供准确可靠的解决方法。本项目取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等概括如下。通过分析ETFE气枕建筑内空气温度场和速度场等，建立了ETFE气枕建筑热环境动态模型，为气枕结构力学分析提供荷载基础；基于ETFE薄膜热-力学性能和高温徐变性能，发现并验证了材料时间温度等效特性，分析了PV-ETFE气枕结构力学；改造了已有气枕屋顶模型，基于三维全景方法测量的气枕形状计算了结构真实的应力场和应变场；通过对比试验和数值结果，验证了所提出方法的正确性。解决了PV-ETFE气枕热环境动态作用机理和热-流-结构耦合作用两个关键问题。其科学意义或应用前景为建立了考虑光热作用和ETFE热-力学特性的PV-ETFE气枕结构的非线性分析理论，掌握了平面气枕弹塑性机理及其快速成形技术。该理论和技术将促进PV-ETFE气枕建筑结构在体育馆、航站楼、温室等大跨空间结构中的应用。

PV-ETFE气枕建筑是低耗能、可持续和对环境友好的光伏一体化建筑。由于PV（太阳能电池）的动态光热效应显著改变ETFE薄膜力学特性、气枕热环境和热结构特性，既有ETFE薄膜力学模型与结构分析方法不适宜分析PV-ETFE气枕结构特性。针对PV-ETFE气枕体系的共性和特殊问题，本项目将研究光热作用下气枕的动态性能和求解方法，包括：通过ETFE薄膜的DMA试验和高温徐变试验，分析ETFE薄膜热-力学性能与时温等效性能；考虑PV光热效应的动态作用，建立气枕热环境动态模型；提出基于热-流-结构相互作用的结构特性分析方法，进行气枕模型试验验证理论和方法的正确性。本项目瞄准该领域国际前沿，旨在揭示材料热-力学性能、热荷载分布和结构特性的内在作用机理，掌握PV-ETFE气枕结构设计分析理论方法，促进PV-ETFE气枕发展应用。

我国建筑能耗不断攀升，到2030年，建筑能耗比例将升至约40%。提高围护结构热工特性是降低建筑运行能耗的重要手段之一。本项目将从理论上分析相变材料厚度、相变潜热、相变温度、比热容、热导率等因素对围护结构传热的影响；建立考虑相变吸/放热及热物性参数变化的动态传热模型；搭建双层定型相变围护结构实验房，进行动态热特性实验；在不同室外环境、室内环境及相变材料吸/放热多外扰作用下，模拟和实验研究该结构传热过程的规律，揭示相变材料对该结构传热过程的影响机理，为发展高效围护结构提供理论支持。目前常见的单层定型相变材料ꎬ在室内或者室外使用往往只能在夏季或冬季发挥作用，为改善全年室内热环境，降低全年建筑运行能耗，且减少墙体改装面积，本项目提出一种新型的双层定型相变墙体。具体做法为在建筑物外墙内外表面均添加定型相变材料板，外层相变板具有较高的相变温度，在夏季发挥作用，内层相变板具有较低的相变温度，在冬季发挥作用。本文中的双层定型相变墙板用于建筑南外墙，该研究主要分析了相变材料厚度、相变温度对建筑运行能耗和建筑室内热环境的影响ꎬ最后根据节能率性及经济性因素得出了相变墙板的推荐使用厚度及其对应的相变温度，为该结构在建筑节能中的应用提供技术支持。双层定型相变墙体能够在夏季隔热、冬季保温，降低建筑物的运行能耗并提高了室内的热舒适性。为了更有效地发挥相变墙体的作用，分析了双层定型相变墙体在空调房间的使用效果，对比分析在装有变频空调和定频空调 2 种房间的运行能耗，结果表明：在装有变频空调的房间，双层定型相变墙体比普通墙体更加节能，变频空调能更有效地发挥定型相变墙体的自动调温作用。选取各气候区典型城市的气象数据作为模拟条件，对比相变房间与普通房间的模拟结果，分析定型相变墙体在各典型气候区的适用性，同时得出节能潜力最大时对应的定型相变材料厚度及相变温度参考值，为该结构的推广应用提供参考。 2100433B

申请人基于前期对层式通风的探索研究，提出了一种新的通风模式，即将层式通风与间歇送风耦合。此通风方法的原理是，在层式通风下，将新鲜空气间歇地送到人的呼吸区，在不降低室内空气品质的同时，提升室内热舒适。主要研究内容包括以下四方面。首先，通过实验研究、理论分析，确定间歇送风耦合层式通风的气流组织分布，以及气流动态特性。其次，通过主观调研，探究间歇送风耦合层式通风的热舒适水平，及对传统通风模式下的热舒适提高程度。再次，进行间歇送风耦合层式通风的参数研究，包括得出各参数对通风性能的影响的大小，优化室内三维瞬态CFD 计算模型，探究实际工程中参数的运行控制。最后，通过实验研究、数学建模等，进行层式通风系统的节能优化。本项目研究成果可为广泛推行提高夏季空调室温的行政倡导提供理论依据和技术支撑。 2100433B

本书阐述了建筑结构与地基基础共同作用分析方法。书中介绍了几种线弹性地基上共同作用的线性分析方法，包括双梁体系和一层框架结构体系两种模型的简化计算方法，对上部结构经连续化处理后的有限差分法和加权残数法、子结构分析方法。