相变材料应用于围护结构的原理是通过其物态变化缓解建筑用能在时间和空间上不匹配的矛盾。采用相变材料提升围护结构的蓄热性能,能够最大程度的的通过围护结构本体利用自然资源,进而降低建筑用能。但目前广泛应用于建筑节能领域中的有机相变材料存在导热性能差以及应用方式不合理,与围护结构结合后会出现蓄放热过程不及时、潜热利用率低等问题,其特有的潜热特性对室内热环境的调控能力难以有效、稳定并长期的发挥。本文从建筑热工学的角度出发,基于现有的相变蓄热墙板提出一种与轻质墙体表面结合的优化相变蓄热墙板。分别从相变材料本身的微观层面和相变蓄热墙板的宏观层面开展理论分析、实验研究和数值模拟,针对有机相变材料的导热性能提升方法、相变蓄热墙板内部结构的传热强化及不同复合墙体（相变蓄热墙板复合墙体）构造形式的动态热特性进行研究。主要研究工作及结果如下:（1）基于工业级石蜡,采用碳纳米管作为微观导热提升介质。结合物理分散和化学分散的制备方法,通过分散效果的视觉观察和紫外可见光光谱仪吸光度的表征确定了复合相变材料中不同成分的最佳配比;通过关键热物性参数的测试获得复合相变材料液态和固态的导热系数,相较纯石蜡分别提升了18.9%和21.1%,平均潜热值为122 kJ·kg-1,能够满足相变蓄热墙板的使用需求且具备良好的热稳定性;纯石蜡和复合相变材料的蓄热和放热过程的红外热成像测试对比结果表明,复合相变材料在熔化和凝固过程的传热速率均优于纯石蜡,且在熔化过程能够抑制自然对流对传热的不利影响。（2）通过多物理场耦合的COMSOL Multiphysics有限元软件建立相变蓄热墙板复合轻质墙体的数值模型。以蓄热过程为例,分析并探讨了相变材料液相自然对流对相变蓄热墙板传热模拟的必要性。借鉴换热设备中肋片的设计原理,以相变材料的完全熔化时间、相变蓄热墙板传热面温差及熔化均匀度作为传热强化的评价指标,以此确定肋片的最佳参数。模拟结果表明,在相变蓄热墙板现有的封装体积下,当肋片间距为5 mm、长度为8 mm、厚度为0.2 mm时,其蓄热和放热性能最佳。（3）以深圳夏季典型日的自然通风和空调房间的室内外周期热作用作为相变蓄热墙板复合轻质墙体的边界条件,首先通过轻质墙体的表面温度累计平均值确定不同工况、墙体构造下相变蓄热墙板的最佳相变温度,通过复合墙体内表面蓄热系数和相变材料的潜热利用率确定相变蓄热墙板的最佳厚度。其次,对比分析了相变蓄热墙板优化前后的复合墙体在不同周期热作用和不同构造下的动态热特性、蓄放热特性和热工性能,通过墙体内外表面的温度、热流密度的变化规律定量分析了室内累计得热量、墙体逐时传热量和蓄放热总量。最后,综合评价并获得了优化相变蓄热墙板复合墙体在不同房间运行模式下的最佳构造形式。模拟结果表明,优化相变蓄热墙板内置时对室内热环境的调控效果优于外置,优化相变蓄热墙板复合墙体在自然通风房间的应用效果最好,在相变材料用量相同的条件下,相较未优化相变蓄热墙板复合墙体的内表面温度波幅降低了0.4℃,24 h周期内室内累计得热量降低了7.8%,白天的蓄热总量增加了8.8 kJ·m-2,夜间的放热总量增加了15.2kJ·m-2,具备更好的热稳定性和蓄放热特性,有效实现了夏季对墙体“白天蓄热好、夜间散热快”的热工需求。

作为一种古老的被动式降温技术,自然通风一直为被动式建筑领域的研究重点。不同于提高建筑物自身热稳定性的被动式设计策略,自然通风通过协调和充分利用自然气候产生的冷热量资源以满足人体舒适性和节能的要求。同时,建筑方案设计阶段对自然通风性能的影响最大。住宅建筑在国内城市建设中占比最大,且在民用建筑中其自然通风应用最为广泛。由于住宅建筑的设计千差万别,自然通风应用的效果也显著不同。住宅建筑的内热扰较小且易受外部气候的影响,却因城市用地导致的建筑大进深等问题在自然通风降温时段,舒适通风常无法得到有效地组织。因此,在这些建筑中合理的自然通风设计具有重要意义。系统的自然通风设计必须兼顾室内通风与场地通风,同时受气候条件、建筑周边环境、建筑物布局以及建筑物自身特性等多因素的综合影响。本文针对建筑本体展开了自然通风设计研究,具体对西安地区城市住宅的建筑迎风面平面形状设计、建筑迎风面开口设计以及建筑形体等进行了自然通风设计研究,主要研究工作如下:（1）本课题组对西安地区城市住宅展开现场测绘的实地调研、还原建模以及户型评价分析,通过对调研住宅进行建筑体型与建筑组合的聚类分析,包括了板式、板塔式单元组合住宅和塔式、板塔式独立住宅的建筑类型;通过“类型选择”构建了三类西安市住宅建筑的户间空间组合的原型并作为本文的研究范畴:ABA式住宅、环绕式住宅以及A-BC-A式住宅。（2）采用“相似性分析法”,构建了ABA式空间组合原型的典型户型。以住宅自然通风的建筑影响因素（开间、进深等）的特征值为物理参数,构建与原型相似度最高的典型户型,同时形成了系统地选取住宅典型户型的方法。（3）对西安城市住宅的典型户型展开风环境模拟,以研究城市住宅的建筑迎风面的平面形状、迎风翼墙有无开口以及建筑形体等可控制建筑设计因素对自然通风的影响。论文通过CFD数值模拟研究,发现通过住宅的建筑形体设计,可以改善房间的通风性能,主要提出以下适用于建筑方案设计阶段的自然通风设计策略:（1）对于迎风面形状,有凹凸时建筑的自然通风性能要优于平直迎风面建筑;相较于凸字形的迎风面,凹字形的迎风面为自然通风较有利的选择。同时针对凹字形和凸字形的住宅迎风面提出以下自然通风设计策略:（a）当形体迎风面为凹字形时,凸出体量东迎风面宜采用无窗设计,同时可以通过适当增大凸出体量的北迎风面开口率,或凸出体量的开间以加强户内的自然通风能力;（b）当形体迎风面为凸字形时,凸出体量侧翼墙上宜开窗,更有利于户内的气流组织。建筑平面布局中,建议将中部交通核及相邻房间外凸,使得外墙保持平齐,凸窗一边为气候边界,以形成无间断的整体迎风面凸出体量,则住宅的自然通风性能更优。（2）模拟研究发现凸出体量可以提高建筑围护结构外表面风压差,东迎风实墙作为挡风翼墙,起加强住宅自然通风效果的作用。因此,建议采用不规则的迎风面形体设计。（3）通过对环绕式、A-BC-A式空间布局的大进深住宅建筑形体的自然通风研究,发现相较于长方形、凸字形,倒工字形建筑中南向居住单元的自然通风性能较好。为了有效改善背风面住户的通风条件,建议采用倒工字形的建筑形体设计。通过城市住宅室内风环境模拟和建筑自然通风设计的研究,则可以从建筑技术上把握城市住宅设计的特点,为西安住宅类建筑的自然通风设计提供了参考,能够更好地满足居住使用者对热环境质量的要求,且对气候适应性住宅设计及建筑节能具有一定的促进作用。

夜间通风和相变蓄热均能显著改善夏季建筑室内热环境,降低空调系统的使用频率。夜间通风和相变蓄热两者结合形成的相变蓄热通风复合降温技术已经成为建筑领域的研究热点。我国西部地区夏季较大的昼夜温差为相变蓄热通风技术的应用提供了有利的气候条件,但是西部地区地域辽阔,气候变化多样,不同地区以及不同季节间气候差异性显著,相变材料相变温度与不同季节气候特征的不匹配以及季节间夜间通风潜力的不同导致相变蓄热通风技术的应用存在适用期问题。本文采用EnergyPlus能耗模拟软件对相变蓄热通风技术在西部地区10个代表性城市多层办公建筑中的应用进行了研究,探讨了该技术在炎热季节和过渡季节的气候适宜性情况,定量对比了相变蓄热、夜间通风及相变蓄热通风技术的应用潜力,获得了相变蓄热通风技术与气候特征之间的关系。同时开展了西安地区办公建筑相变蓄热通风技术的应用示范,并结合数值模拟和现场热环境测试的方法对相变蓄热通风技术在过渡季节和炎热季节的应用情况进行了分析。主要工作如下:（1）基于EnergyPlus数值模拟方法对相变蓄热通风技术相变温度进行参数化分析,并基于ASHEAE适应性热舒适标准建立适宜性分析评价指标“过热不舒适累积密度值”Intensity of Thermal Discomfort（ITD）获得了典型城市过渡季节和炎热季节最佳的相变温度,研究发现西部地区典型城市最佳相变温度波动范围在23℃到29℃之间,南宁和昆明地区过渡季节相变蓄热通风技术最佳相变温度与炎热季节最佳相变温度相等,分别为29℃和23℃,其余地区炎热季节相变蓄热通风技术最佳相变温度高于过渡季节最佳相变温度2℃左右。（2）基于最佳相变温度,探讨了相变蓄热通风技术、相变蓄热技术以及夜间通风技术在不同地区过渡季节和炎热季节的应用效果,获得了相变蓄热通风技术对提高室内热环境、降低室内过热不舒适小时数的应用优势。同时基于性能模拟为导向的设计方法提取出了适宜相变蓄热通风技术应用的室外关键气候特征参数,西部地区典型城市适宜相变蓄热通风技术应用的室外关键气候特征参数为:（1）室外空气干球温度昼夜温差ΔT大于6.8℃;（2）室外空气干球温度平均值Tave非常接近27℃,且均处在相变温度范围附近;（3）室外空气干球温度最大值Tmax比最佳相变温度高1.7℃,室外空气干球温度最小值Tmin低于最佳相变温度2.7℃。（3）西安地区办公建筑相变蓄热通风技术的应用示范结果表明:基于数值模拟选择的相变材料能够减缓西安地区炎热季节测试期间室内过热现象,与未采用相变蓄热通风技术相比,相变蓄热通风技术能够提高过渡季节室内热稳定性,可使炎热季节室内空气峰值温度下降1.2℃。

随着我国建筑能耗急剧增长,建筑节能已成为可持续发展的重要部分。提高围护结构的热工性能是建筑节能的基础和重要保障,其中墙体的保温性能和蓄热性能对于维持稳定的室内热环境具有重要作用。由此,工程中逐渐涌现出相变蓄热墙体这类新型围护结构,由于相变材料的变物性特征,需要采用变物性参数的非线性方程来描述传热过程,对墙体传热模拟技术提出了新要求,同时相变蓄热墙体的热工设计应与地区气候相适应,不同地区所适用的相变材料的相变温度、相变材料厚度及保温材料类型与厚度等也不尽相同,需要开展相变蓄热墙体的优化设计研究。本文从相变蓄热墙体围护结构的热工计算和优化设计的角度出发,通过对国内外文献的调研,开发了相变蓄热墙体传热计算程序,开展了数值模型的验证,完成与建筑能耗模拟软件DeST的集成应用;提出了自由运行建筑围护结构节能性能评价指标,编写了室内空气温度逐时值迭代求解和评价指标计算程序;基于遗传算法建立了多变量单/多目标优化模型,开发了优化设计程序,主要研究工作如下:（1）通过总结梳理国内外文献和主流软件中相变蓄热墙体传热计算模型的优缺点和不足,在此基础上,利用热容法数学模型、有限差分法离散方法及逐次超松驰迭代算法并通过MATLAB自编程方法开发了相变蓄热墙体动态热工计算程序,开展了理论验证、EnergyPlus程序间对比验证与建筑热工缩尺模型实验验证三个方面的验证,基于国际通用模型接口FMI（Functional Mock-up Interface）和功能模型单元FMU（Functional Mock-up Unit）在建筑能耗模拟软件DeST中首次实现了相变蓄热墙体传热计算和能耗模拟的动态耦合,该研究工作对于定量评价相变蓄热墙体的应用效果具有重要意义。（2）分析了现有标准规范和文献中建筑节能性能评价指标的特点和不足,明确了相变蓄热墙体房间围护结构节能性能评价指标的影响因素,基于人体热适应模型从全年室内外空气温度与舒适温度度时数角度提出了围护结构节能贡献率评价方法,定义了基准度时数、设计度时数和围护结构调节度时数概念,建立了围护结构节能贡献率权衡判断方法,并以居住房间为研究对象,对BioPCMs相变材料在寒冷地区7个城市的应用效果进行了评价,该工作可为建筑本体的节能性能评价提供参考。（3）介绍了遗传算法的基本原理、流程和MATLAB的遗传算法工具箱,利用遗传算法建立了以围护结构构造参数为设计变量、围护结构调节度时数最大为目标函数的单目标优化模型,并结合PWF经济性指标建立了多目标优化模型,开发了多变量的单/多目标优化设计程序,以一个相变蓄热墙体房间构造的优化设计案例说明了程序的实用性,并对围护结构传热计算和优化工具的功能、界面与主要函数进行了介绍,该工具能够用于分析相变蓄热墙体热工设计与地区气候的适宜性,便于建筑师在工程实践中实现相变蓄热墙体的优化设计。