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建筑外围护结构热分析及人工冷源智能控制系统研究

作　者: 徐晓丽
导　师: 杨昭
学　校: 天津大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 建筑舒适性节能复合墙体太阳墙 CFD 呼吸式玻璃幕墙复合控制模糊解耦
分类号: TU831
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 436次
引　用: 3次
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内容摘要

创造满足人体热舒适的室内微气候环境是构造建筑的最终目标。然而,能源的日益匮乏与追求高舒适性在一定程度上是一对矛盾。如何寻求一个平衡点,构造低能耗高舒适型建筑成为热点课题。本文以影响建筑能耗和人体热舒适性的因素为切入点,以复合墙体、智能围护结构、HV&AC系统中的冷源控制等现代舒适型建筑中的重要组成元素为对象展开研究。全文内容简介如下:(1)利用频域响应原理构建模型,分析复合实体墙的动态特性及其影响因素;采用有限元法研究矩形截面热桥影响区域;结合Fanger的热舒适性模型分析墙体内表面平均辐射温度对人体舒适性及系统能耗的影响;在冬、夏季典型气象条件下,分别模拟分析了复合墙体的内表面温度。(2)采用CFD技术耦合流固传热,分析了太阳墙在冬季集热、夏季通风隔热、过渡季通风及冬季预热等运行模式下的热特性;对集热墙体材料、墙体高度、空气层厚度、通风孔尺寸等感因子进行了分析。在CFD模拟基础上采用回归法和人工神经网络法建立了太阳墙的热特性预测分析模型。(3)对呼吸式玻璃幕墙热传递过程进行分析,利用CFD技术耦合光学模型、透过体系模型求解控制方程。分析了遮阳板位置、通道宽度、遮阳板角度、通风口面积、太阳辐射强度、室外空气温度、室外风向等敏感因子对其热特性的影响;给出了最佳截面尺寸并建立了基于π定理的通道内太阳能二次透过率无量纲模型和基于灰箱模型的壁面对流换热系数关联式。同时,对其冬季保温及过渡季通风换气特性给予分析。(4)基于解耦协同控制和人体热舒适原理,在仿真结果基础上,提出复合解耦控制策略并采用自适应模糊控制算法,以S7-300 PLC为中央控制器,设计了建筑内人工冷源智能控制系统。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-11
第一章绪论  11-25
  1.1 建筑·节能·健康·舒适性  11-13
  1.2 国内外研究概况  13-20
    1.2.1 国外研究概况  13-18
    1.2.2 国内研究概况  18-20
  1.3 本文的主要研究内容及方法  20-22
    1.3.1 目前研究中存在的问题  20-21
    1.3.2 本文的主要研究内容  21-22
    1.3.3 本文的主要研究方法  22
  1.4 本章小结  22-25
第二章复合墙体热分析  25-49
  2.1 复合墙体非稳态热分析  25-28
    2.1.1 复合墙体热力模型  25-28
      2.1.1.1 复合墙体非稳态热过程分析  26
      2.1.1.2 基于频域响应的复合墙体非稳态热分析  26-28
  2.2 复合墙体非稳态热特性影响因素分析  28-37
    2.2.1 墙体结构形式对其非稳态热特性的影响  28-32
    2.2.2 墙体外表面颜色对其非稳态热特性的影响  32-33
    2.2.3 墙体朝向对其非稳态热特性的影响  33-34
    2.2.4 墙体保温层厚度对其非稳态热特性的影响  34-36
    2.2.5 墙体材料对其非稳态热特性的影响  36-37
  2.3 复合墙体中的热桥影响区域分析  37-41
    2.3.1 几种常见矩形截面热桥  37-38
    2.3.2 热桥影响区域划分  38
    2.3.3 热桥影响区域计算  38-40
      2.3.3.1 热桥区域稳态热分析模型  38
      2.3.3.2 热桥内部温度场及表面温度分布  38-40
      2.3.3.3 简化法确定的热桥影响区域  40
    2.3.4 两种计算方法的比较和分析  40-41
  2.4 墙体内表面温度与人体热舒适性  41-48
    2.4.1 稳态下人体热舒适性模型  41-42
    2.4.2 内表面辐射温度与人体热舒适性  42-43
    2.4.3 复合墙体内表面温度分析  43-48
      2.4.3.1 冬季复合墙体内表面温度动态分析  43-44
      2.4.3.2 夏季自然气候条件下复合墙体内表面温度分析  44-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章太阳墙热分析  49-79
  3.1 太阳墙的类型与结构  49-51
  3.2 太阳墙内热过程分析  51-54
    3.2.1 界面热平衡分析  51-52
    3.2.2 太阳墙内空气动力分析  52-54
  3.3 太阳墙热特性数值模拟  54-60
    3.3.1 控制方程模型介绍  54-55
    3.3.2 控制方程模型的近壁区处理  55
    3.3.3 基于流固耦合的太阳墙热体系控制方程模型  55-58
    3.3.4 封闭空间模式下基于准则数的太阳墙CFD模型校核  58-60
  3.4 冬季集热模式下太阳墙CFD分析  60-65
    3.4.1 动态热响应分析  61
    3.4.2 冬季夜晚传热分析  61-62
    3.4.3 冬季日照期间被动集热分析  62-64
    3.4.4 集热模式下的热预测模型  64-65
  3.5 夏季太阳能烟囱模式下太阳墙CFD分析  65-71
    3.5.1 热压与风压综合作用下体系热分析  65-67
    3.5.2 太阳能烟囱模式下敏感因子分析  67-68
    3.5.3 基于回归模型的太阳墙热特性预测分析  68-69
    3.5.4 基于BP神经网络的通风量预测  69-71
  3.6 夏季外循环被动冷却模式下太阳墙CFD分析  71-72
  3.7 太阳墙预热通风特性分析  72-76
    3.7.1 冬季预热通风模式下太阳墙CFD分析及热预测模型  72-74
    3.7.2 过渡季通风模型下太阳墙敏感因子CFD分析  74-76
  3.8 本章小结  76-79
第四章呼吸式玻璃幕墙热分析  79-123
  4.1 呼吸式玻璃幕墙的类型及结构  79-80
  4.2 呼吸式玻璃幕墙的特性  80-82
    4.2.1 隔声降噪  81
    4.2.2 保温隔热通风  81-82
  4.3 呼吸式玻璃幕墙热特性数值模拟  82-92
    4.3.1 体系内综合传热过程分析  82-83
    4.3.2 透过体系热分析  83-87
      4.3.2.1 固体区域能量方程中源项的确定  83-85
      4.3.2.2 中间遮阳的光学特性分析  85-87
    4.3.3 控制方程模型  87-88
      4.3.3.1 N-S方程  87-88
      4.3.3.2 通道内空气动力分析  88
    4.3.4 耦合模型求解  88-92
  4.4 呼吸式玻璃幕墙夏季隔热性分析  92-113
    4.4.1 透过体系热分析  92-93
    4.4.2 夏季外循环模式下通道内流场分析  93-96
    4.4.3 基于耦合模型的体系二次透过率分析  96-106
    4.4.4 基于π定理的体系二次透过率无量纲模型  106-111
      4.4.4.1 基于多孔介质模型的遮阳板结构简化模型  106-107
      4.4.4.2 外循环模型下通道内空气流速模型  107-108
      4.4.4.3 基于∏定理的体系二次透过率模型参数辨识  108-110
      4.4.4.4 基于二次透过率的结构参数优化  110-111
    4.4.5 基于灰箱模型的体系内对流换热系数回归式  111-113
      4.4.5.1 通道内竖直壁面对流换热系数回归式  111-113
      4.4.5.2 遮阳板处对流换热系数回归式  113
  4.5 呼吸式玻璃幕墙冬季保温性分析  113-118
    4.5.1 呼吸式玻璃幕墙传热系数的CFD分析原理  113-114
    4.5.2 封闭空腔传热系数影响因素分析  114-115
    4.5.3 冬季呼吸式玻璃幕墙体系CFD分析  115-118
      4.5.3.1 呼吸式玻璃幕墙当量传热系数  115-116
      4.5.3.2 冬季内循环模式下呼吸式玻璃幕墙体系内CFD分析  116-117
      4.5.3.3 呼吸式玻璃幕墙的结露分析  117-118
  4.6 呼吸式玻璃幕墙的自然通风特性分析  118-119
  4.7 呼吸式玻璃幕墙CFD仿真模型的可靠性验证  119-121
  4.8 本章小结  121-123
第五章建筑内人工冷源智能控制策略研究  123-147
  5.1 人工冷源智能控制  123-124
  5.2 人工冷源变容量系统  124-129
    5.2.1 人工冷源变容量系统组成要素  124-126
      5.2.1.1 变频压缩机  124-125
      5.2.1.2 电子膨胀阀  125-126
      5.2.1.3 变频风机  126
    5.2.2 人工冷源变容量系统中各部件数学模型  126-129
      5.2.2.1 活塞式压缩机数学模型  126
      5.2.2.2 电子膨胀阀数学模型  126-127
      5.2.2.3 翅片管换热器数学模型  127-128
      5.2.2.4 人工气候小室热力模型  128-129
  5.3 人工冷源变容量系统解耦协同控制策略  129-136
    5.3.1 多变量前馈补偿解耦控制原理  129-130
    5.3.2 各控制回路传递函数机理分析  130-132
    5.3.3 对象模型的实验辨识  132-135
      5.3.3.1 各回路主控参数传递函数模型辨识  132-133
      5.3.3.2 扰动量传递函数  133-135
    5.3.4 解耦控制的SIMULINK仿真结果  135-136
  5.4 融合空调系统参数控制的人工冷源控制策略  136-139
    5.4.1 稳态热舒适性模型及控制策略  136-137
    5.4.2 变室温控制初探  137-139
      5.4.2.1 基于舒适性的室内温度动态变化模型  137
      5.4.2.2 变室温模型下人体两节点集中参数模型  137-139
  5.5 控制器设计及MATLAB仿真  139-145
    5.5.1 最优PID控制器设计及MATLAB仿真  139-141
    5.5.2 模糊控制器设计及MATLAB仿真  141-145
      5.5.2.1 基本模糊控制器设计及仿真  141-143
      5.5.2.2 自适应模糊控制器设计及仿真  143-145
  5.6 自适应模糊与最优PID控制器的动态适应性分析  145-146
  5.7 本章小结  146-147
第六章建筑内人工冷源智能控制系统实现及实验研究  147-163
  6.1 多功能人工气候小室实验台简介  147-149
    6.1.1 多功能人工气候小室实验台结构  147
    6.1.2 实验台附加模拟系统  147-148
    6.1.3 人工气候小室的多目标控制  148-149
  6.2 控制系统硬件组成  149-151
  6.3 控制系统软件实现  151-152
    6.3.1 软件介绍  151
    6.3.2 控制系统软件实现  151-152
  6.4 控制系统实验研究  152-161
    6.4.1 不同节流形式下系统稳定性分析  152-153
    6.4.2 PID控制结果分析  153-154
      6.4.2.1 定工况下PID控制结果  153-154
      6.4.2.2 PID控制的抗扰动分析  154
    6.4.3 模糊控制结果分析  154-156
      6.4.3.1 模糊控制器影响因子实验分析  154-155
      6.4.3.2 基本模糊控制器定值控制及抗扰分析  155-156
      6.4.3.3 自适应模糊控制器定值控制及抗扰分析  156
    6.4.4 人工冷源系统解耦协同控制实验结果分析  156-158
    6.4.5 变室温控制实验浅析  158-161
  6.5 本章小结  161-163
第七章结论与建议  163-167
  7.1 结论  163-164
  7.2 本文主要创新  164-165
  7.3 对后续工作的建议  165-167
参考文献  167-175
发表论文和参加科研情况说明  175
攻读博士期间申请的专利  175
攻读博士期间参加的主要科研项目  175-176
附录一符号说明  176-181
致谢  181

建筑外围护结构热分析及人工冷源智能控制系统研究

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