混凝土辐射供冷建筑热动态特性研究项目摘要

混凝土辐射供冷是一种节能舒适的建筑空调技术。混凝土辐射供冷方式下建筑热过程与空调系统供冷过程存在直接的耦合作用，所以其动态热过程必将受到建筑蓄热和室内环境控制的影响和限制。由于其中耦合作用规律未被系统认知，混凝土辐射供冷系统的实际运行节能效果远远低于预期。本课题采用理论模拟分析、实验研究和工程测试相结合的研究方法，以混凝土辐射供冷建筑房间为研究主体，进行供冷末端非稳态传热模型、房间的热响应和蓄放热动态特性研究，揭示室内热舒适、房间得热、供能调节以及建筑体蓄放热在房间蓄传热过程和空调供冷过程中的相互作用规律，获得混凝土辐射供冷方式下房间得热-负荷转化衰减和延迟的一般性规律和数学计算方法、房间供冷蓄冷过程与室内热舒适相互关联作用关系以及房间其他蓄热体对供冷蓄冷过程的定量影响规律，为完善混凝土辐射供冷技术体系，优化系统设计和制定节能舒适的运行调控策略提供理论指导。

混凝土辐射供冷技术以其节能、舒适等优点，具有良好的发展前景。由于建筑得热及空调运行过程均具有动态变化的特点，只有充分研究混凝土辐射供冷系统动态响应特性，并在设计和运行控制阶段充分利用，才能完全实现该空调方式的节能效果。 本课题首先利用RC（热阻热容网络法）、反应系数法和频域回归法分别建立混凝土辐射供冷楼板简化传热计算模型；之后搭建混凝土辐射供冷楼板系统的全尺寸标准实验舱并利用实验舱测得的实验数据对简化传热模型进行验证，在此基础上，利用 MATLAB 数学软件对简化传热模型进行程序设计，建立起图形用户窗口界面（GUI）；最后利用TRNSYS模拟软件和简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板供冷房间的热动态响应特性进行研究。 本课题的主要研究成果包括： （1）根据欧盟EN 14240、ASHRAE standard138和我国颁布的行业标准，建造完善辐射供冷末端性能测试平台并对实验平台性能进行测试评定，测试结果表征与欧盟平台测试结果吻合一致，达到设计要求。 （2）利用RC（热阻热容网络法）、反应系数法和频域回归法建立混凝土辐射供冷楼板简化传热计算模型，并对所建立的简化传热模型进行实验验证：稳态工况下，简化传热模型热流密度计算误差在6%以内，表面温度计算误差在0.3℃以内，非稳态工况下，热流密度计算误差在9%以内，表面温度计算误差在0.7℃以内，之后利用 MATLAB 数学软件对简化传热模型进行程序设计，建立起图形用户窗口界面（GUI）； （3）通过实验、模拟及理论分析相结合的方式，对混凝土辐射供冷房间的蓄放热动态特性进行了研究，分析供水侧参数变化、房间侧参数变化和空调启停过程中供冷房间热动态响应规律； （4）利用所建立的简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板动态传热过程进行分析计算，得到各参数对蓄热层厚度的影响规律并通过计算得到工程中常用混凝土辐射供冷楼板结构形式的蓄热层厚度：在无保温层的情况下50-130mm，有保温层的情况下100-200mm； （5）利用简化传热模型对混凝土辐射供冷楼板热动态响应特性进行研究得到室内得热与水侧冷负荷转化关系并借此得到在混凝土辐射供冷楼板供冷能力下该系统的运行控制策略。 通过以上实验研究和模型扩展分析，形成一般性规律，可以指导混凝土辐射供冷系统设计和运行。 2100433B

针对我国三北地区因风热冲突而导致的风电消纳困难，本研究将建筑储热纳入到我国电热能源系统协调运行体系中，以充分发挥与电力系统耦合的热力系统的柔性，提高电力系统灵活运行能力，促进可再生能源大规模消纳。通过研究建筑热动态特性，探寻适用于电热协调运行的简化而有效的建筑热动态特性模型，建立热电厂供热区域内建筑热负荷的总体模型，研究考虑建筑热动态特性的电热协调运行模型，为促进大规模可再生能源消纳提供理论参考。

冷热电联供是近些年国内外蓬勃发展的一种能源供应形式。它可以利用低品位余热，实现能源梯级利用。因此，将其应用到建筑中去节能潜力巨大。然而由于缺乏对建筑物负荷的准确预测，致使设备选型不合理，系统长期处于较低部分负荷率下运行；此外对系统的动态变工况性能的研究很少，使得系统缺乏有效的动态控制，可靠性较差。围绕上述问题，该项目首先研究人员分布和流动以及外部气候参数动态变化对建筑物各区冷、热、电负荷的影响，建立综合考虑人员和气候随机因素的建筑物分区动态负荷预测模型；其次，建立基于最优化控制策略的建筑冷热电联供系统动态数学模型，确立高效数值算法；再次，研究建筑冷热电联供系统全年工况的控制算法以及系统内部各参量的动态变化特性；最后，通过构建实验平台，对模型进行验证。通过上述研究，形成一套包括建筑物动态负荷预测、系统动态控制和变工况优化运行在内的建筑冷热电联供系统分析设计理论，为相关研究提供指导和理论支撑。

本项目采用计算模拟和实验方法对脉冲电流驱动模式下热电制冷的系统动态特性及其优化与控制进行了深入的理论分析与实验研究。通过对热电制冷系统建立非稳态模型，探索了脉冲式热电制冷的动态物理过程特性及其特征参数变化规律，同时也研究了脉冲驱动模式与热电制冷的高效耦合机制，并获得了最佳脉冲驱动模式与优化调控方法，为后续实验提供了理论指导；与此同时，亦研究了变工况及动态工作条件下热沉与脉冲式热电制冷的匹配关系，并提出了适合脉冲式热电制冷的高效经济的热沉方式及其优化匹配方法，且对脉冲式热电制冷系统进行了热力学优化分析，获得了其系统的优化设计方法。此外，搭建及调试了脉冲热电制冷实验台并进行了相关变工况实验，而实验结果与理论模拟结果的高度接近表明了前期理论模拟数学模型的正确性。实验探索了脉冲参量变化对热电制冷工作特性和可靠性的影响关系，研究了非稳态热电制冷过程中热电模块与散热端热沉之间的耦合传热特性。课题组在热电制冷方向发表的已标注基金国际期刊论文有14篇，已为SCI、EI等检索并引用，取得了一定的研究成果，且基于该课题研究已申请两项发明专利，其中一项已授权。本课题从更深的层次上揭示了非稳态热电制冷过程的物理本质和基本规律，进一步丰富了热电制冷的理论体系，同时为在电子器件主动冷却方面应用脉冲式热电制冷技术打下了良好基础。 2100433B