热激活建筑能源系统集成设计与应用

本书共8章，首先围绕能源概况与建筑能耗现状及趋势和节能建筑发展现状及趋势进行了讨论；随后从不同维度针对建筑围护结构保温隔热方法与技术的参数和特点进行了分析和对比，针对现有工作的不足和局限之处提出了新的激活建筑能源系统，探讨了被动式热激活建筑能源系统在非透光建筑围护结构中的集成设计和应用、被动式热激活建筑能源系统能量传输特性，采用仿真模拟手段研究了被动式热激活复合墙体的热工性能，分析了被动式热激活复合墙体不确定性和敏感性；最后展望了热激活建筑能源系统未来的发展方向。
本书具有较强的创新性和实用性，可供从事暖通系统设计和设备研发、低碳建筑设计与建筑节能、超低能耗和零能耗住宅施工和运维、低品位与可再生能源高效利用等工作的相关研发人员、设计人员、工程人员参考，也可供高等学校土木工程、能源工程、环境工程及相关专业师生参阅，还可为从事碳减排与碳中和等相关政策制定的政府人员和企业决策人员提供技术和数据参考。

杨洋，合肥工业大学建筑与艺术学院讲师，工学博士，主要研究方向为：1）低品位与可再生能源建筑一体化及高效利用；
2）建筑热环境与建筑节能；3）低碳建筑技术与集成应用；4）城市热环境及其与建筑的交互作用。曾就职于国家能源集团以及亚太经合组织可持续能源中心，现担任Applied Energy、Energy Conversion and Management、Renewable Energy等国际期刊审稿人；在国内外期刊发表论文10余篇、申请或授权发明专利50余项，其中热激活建筑能源系统与应用方面发明专利15项；主持APEC基金项目、天津市博士科研创新项目和合肥工业大学引进博士科研项目等纵向课题3项，同时作为骨干科研人员参与自然科学基金、重点研发计划、天津市自然科学基金、安徽省住建厅科技项目及其它企事业委托横向项目共计12项。

(1)本书明确了在建筑部门开展能源的“开源节流”工作，相关成果是建筑节能减排，应对能源短缺的重要手段，符合我国“3060双碳”重大战略要求。
(2)本书针对建筑维护结构保温隔热方法与技术进行了系统和创新性的综述，对目前热激活建筑能源系统存在的问题提出了一系列改善和优化的建议，对该领域多项技术进行了深入对比，并针对现有工作的不足和局限性提出了新的热激活建筑能源系统。
(3)本书围绕被动式热激活建筑能源系统在非透光建筑围护结构中的集成设计和应用所涉及的相关问题进行了探讨；介绍了热激活复合墙体的动态传热特性及其仿真模拟，提出了热激活复合墙体热特性的评价方法和具体指标，可为工程师和建筑师提供重要的热激活建筑能源系统及建筑一体化集成设计与应用参考。

作为建筑的基本节点和构成单元，围护结构始终是制约低能耗建筑设计和建筑节能工作的薄弱环节。本书从突出围护结构能量属性的角度入手，将适于建筑利用的低品位能源与建筑构件耦合形成低能动的一体化节能与供能系统，提出了被动式热激活建筑系统（Passive Thermo-activated Building System，PTABS）及其应用形式。同时，围绕“建筑集成用回路热管的启动和能量传输特性”与“被动式热激活复合墙体热特性及其影响因素耦合作用机制”两个关键科学问题对PTABS开展了系统性应用基础研究，并借助集成设计、实验检测、仿真模拟和性能评价等研究手段获得了PTABS的集成设计方法、主要性能参数、总体优化策略和成套相应数据等。
首先，本书深入调研了当前建筑保温隔热方法和技术的研究现状，并从不同维度阐述了围护结构负荷形成及现有研究的不足。在此基础上，围绕一体化及模块化集成设计与应用对PTABS的运行机制、应用范围和控制策略等进行了全面阐述。
其次，本书设计并搭建了PTABS能量传输特性实验检测系统，实测结果表明：PTABS在不同工况下均可成功启动并维持运行，而冷凝段热阻在总热阻中占比最大（约占58.4%～94.4%），因此冷凝段是制约PTABS能量传输效率的主要瓶颈；不同工况下PTABS的最佳充液率并非固定值，PTABS应用于保温隔热和中性情景时可适当降低充液率以获得更高的启动速度，而应用于辅助供能或直接供能情景时可适当提高充液率以获得较低的注热热阻；复合墙体中注入热量近似呈线性变化趋势，因此PTABS具备长期稳定的注热能力并实现不同预期设计目的；蒸发器安装位置和角度对PTABS的能量传输特性有着重要影响，工质重力在正/反向启动与运行过程中的作用完全不同。
再次，本书基于瞬态传热模型展开了复合墙体热工性能模拟，研究表明：由注入能量所形成的虚拟温度界面可有效阻遏甚至完全阻断室内外热环境间的热量传递；随着冷源温度下降或热源温度上升，PTABS的注能能力随之增强，复合墙体负荷降幅也随之增大并超过100%，同时内表面温度也逐渐接近并在冬季超过（在夏季低于）室内温度，围护结构负荷和热舒适性综合提升效果显著；在注入能量影响下，复合墙体外表面冷/热损失有所上升，但额外损失仅占注入能量的约10%。
最后，基于复合墙体热特性的不确定性和全局敏感性分析方法及评价体系，本书探索了3类共12种输入参数对3类/6种热特性输出结果的影响规律及其交互作用机制，结果表明：不同应用情景下的复合墙体热特性显著性影响因素基本一致，而嵌管直径、朝向、嵌管层热容、嵌管热导率和辐射热吸收系数在PTABS的设计、建造与运行中可适当予以忽略；热源温度和室内设定温度是影响复合墙体热特性最为关键的两个因素，二者在除外表面冷/热损失的其他指标中存在显著的相互制约关系；直接型PTABS可不受注热/冷时长限制，而间接型PTABS或TABS需综合考虑负荷改善和泵耗情况，最低注热/冷时长的推荐值为冬季6 h或夏季8 h；适当提升嵌管层热导率有利于注入能量扩散和热堆积现象缓解，过大则会导致外表面冷/热损失增大，适宜范围为0.5～2.75 W/（m·℃）；气候区对复合墙体负荷的不确定性影响大幅降低，也不再是影响内表面热舒适性的主要因素；从能量密度指标看，嵌管间距优选区间为100～250 mm；若复合墙体仅应用于夏季隔热情景，嵌管层可适当靠近墙体内表面设置，否则应优先考虑嵌管位置对冬季热特性的影响，而不同集成方式并不会对夏季热特性产生明显影响。
综上所述，本书的研究结果支撑了被动式热激活建筑围护结构技术在降低建筑能耗和改善室内热舒适性方面的巨大潜力，拓展并丰富了现有低能耗建筑技术方向和体系，同时也为被动式热激活建筑系统在实际应用中的设计与应用奠定了坚实的理论方法和基础。
本书共8章，其中第1～第5章由杨洋编著；第6～第8章由陈萨如拉和杨洋共同编著。
限于编著时间及水平，书中不足与疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

杨洋
2021年9月

第1章 绪论 1
1.1 建筑能耗现状及趋势 1
1.2 节能建筑发展现状及趋势 3
参考文献 4

第2章 建筑围护结构保温隔热方法与技术 5
2.1 无源静态保温隔热技术 5
2.2 无源动态保温隔热技术 8
2.2.1 技术简介 8
2.2.2 基于载体密度变化的无源DTI技术 9
2.2.3 基于载体位置变化的无源DTI技术 13
2.2.4 基于悬浮颗粒迁移的无源DTI技术 16
2.2.5 基于载体相态变化的无源DTI技术 18
2.3 有源保温隔热技术 24
2.3.1 技术简介 24
2.3.2 基于流体的有源DTI技术 24
2.3.3 基于固体的有源DTI技术 32
2.4 围护结构保温隔热方法与技术对比分析 39
2.4.1 围护结构负荷形成的不同维度解释 39
2.4.2 不同保温隔热方法与技术对比 40
2.5 热激活建筑能源系统现有研究的指导意义 44
参考文献 44

第3章 被动式热激活建筑能源系统集成设计51
3.1 热管技术简介及建筑应用 51
3.1.1 热管技术简介 51
3.1.2 热管技术建筑应用 52
3.2 被动式热激活建筑能源系统的提出与应用 53
3.2.1 被动式热激活建筑能源系统的提出 53
3.2.2 被动式热激活建筑能源系统的应用 57
3.3 建筑围护结构集成用TPTL的设计 58
3.3.1 建筑集成用TPTL的工质选取 59
3.3.2 建筑集成用TPTL的管材选取 60
3.4 被动式热激活复合墙体的集成设计 61
3.4.1 热激活混凝土墙体能源系统集成方式 61
3.4.2 热激活砖砌墙体能源系统集成方式 61
3.4.3 热激活砌块墙体能源系统集成方式 62
3.4.4 热激活轻质墙体能源系统集成方式 63
参考文献 65

第4章 被动式热激活建筑能源系统能量传输特性67
4.1 实验检测系统及测试方法介绍 67
4.1.1 实验装置设计与搭建 67
4.1.2 监测数据与仪器设备 71
4.1.3 检测方案及检测步骤 72
4.1.4 实验数据处理方法 75
4.1.5 不确定度分析 77
4.2 正向启动与循环过程热特性分析 77
4.2.1 直接启动过程瞬态热响应特性 77
4.2.2 间歇启动过程瞬态热响应特性 84
4.3 关键性能参数对启动与循环过程的影响分析 90
4.3.1 充液率和热源温度对系统热阻影响 90
4.3.2 充液率和热源温度对启动速度影响 91
4.4 正向持续运行过程热特性分析 92
4.4.1 瞬态热响应特性 92
4.4.2 温度场分布 95
4.4.3 热阻与注热特性 97
4.5 反向启动与循环过程热特性分析 98
4.5.1 系统压降与重力作用分析 98
4.5.2 瞬态热响应特性 101
4.5.3 温度场分布 104
参考文献 106

第5章 被动式热激活复合墙体热工性能107
5.1 被动式热激活复合墙体热工性能 107
5.1.1 ANSYS Workbench软件介绍 107
5.1.2 几何模型 109
5.1.3 网格划分 110
5.2 被动式热激活复合墙体数学模型 111
5.2.1 三维非稳态传热过程 111
5.2.2 控制方程与单值性条件 112
5.3 被动式热激活复合墙体模型验证 113
5.3.1 网格独立性验证 113
5.3.2 数学模型实验验证 116
5.4 夏季工况传热分析 118
5.4.1 复合墙体表面热响应特性 119
5.4.2 复合墙体内部温度场 125
5.5 冬季工况传热分析 128
5.5.1 复合墙体表面热响应特性 128
5.5.2 复合墙体内部温度场 134
参考文献 136

第6章 被动式热激活复合墙体不确定性和敏感性分析方法137
6.1 不确定性和敏感性分析工作流程 137
6.2 复合墙体热特性不确定度表征 139
6.2.1 输入参数筛选 139
6.2.2 输入参数范围确定 140
6.2.3 抽样设计方法 141
6.2.4 抽样设计结果 142
6.3 复合墙体热特性全局敏感性分析方法选用 148
6.3.1 敏感性分析方法简介 148
6.3.2 全局敏感性分析方法选择 150
6.3.3 R语言简介 154
6.3.4 输入参数相关性分析 154
6.4 热激活复合墙体热特性评价方法 155
参考文献 157

第7章 被动式热激活复合墙体热特性全局敏感性分析159
7.1 基于冬季保温情景的复合墙体热特性分析 159
7.1.1 热激活特性全局敏感性分析 160
7.1.2 内外表面传热特性全局敏感性分析 168
7.1.3 内表面热舒适度特性全局敏感性分析 177
7.1.4 输入参数综合排序结果及分析 187
7.2 基于夏季隔热情景的复合墙体热特性分析 192
7.2.1 热激活特性全局敏感性分析 192
7.2.2 内外表面传热特性全局敏感性分析 197
7.2.3 内表面热舒适度特性全局敏感性分析 203
7.2.4 输入参数综合排序结果及分析 210

第8章 研究展望与新型热激活建筑能源系统节能应用215
8.1 热激活建筑能源系统研究总结与展望 215
8.1.1 本书研究成果简述 215
8.1.2 热激活建筑能源系统研究展望 218
8.2 模块化热激活建筑能源系统节能应用 219
8.2.1 模块化热激活混凝土墙体能源系统 219
8.2.2 模块化热激活砖砌墙体能源系统 221
8.3 固体基热激活建筑能源系统节能应用 221
8.4 轻质建筑中热激活建筑能源系统节能应用 223
参考文献 226

附录 主要符号及缩略语227
附录1 主要符号及单位 227
附录2 缩略语 228