XX大学博士生硕士生论文开题报告及论工文作计划研究生姓名学科传业）研究方向指导教师学位级别2012年 9 月 22日 填开题报告须知一选题原则1从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。2课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果。3课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内 作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。4要结合导师的科研任务进行选题。5要根据研究方向及自己的基础和特点，在查阅文献和分析资料的基础上提出论 文题目或选题范围，并与导师共同确定。二基本要求1查阅文献资料博士生一般不应少于 50篇，硕士生一般不应少于 30 篇。2博士生的开题报告在第三学期开学初进行，硕士生的开题报告在第四学期开学 初进行。3书写格式：(1) 论文题目(或选题范围)(2) 国内外在这一领域已进行的工作及前沿的主要问题(3) 课题的实用价值或理论意义以及可能达到的水平(4) 研究工作具有新意的思路、方法、技术路线(5) 研究过程中预计可能遇到的困难或问题，并提出解决方法和措施(6) 所阅读的文献、资料(另附清单)(7) 论文工作安排4. 开题报告通过后，可进入论文工作实施阶段。未获通过者，可在12月内补作开题报告。5. 研究生先按此要求书写开题报告及论文工作计划，开题报告通过后，再书写到 此表上。开题报告论文题目（或选题范围）相变材料在建筑墙体应用的优化分析1课题研究背景及意义11研究背景随着人们生活水平的提高，对能源的需求越来越大，但能源的储量却日趋减少，加上对能源的 利用率不是很高，使得能源的供给日趋紧张。如果能将暂时不用的能量储存起来，到需要时再将其 释放，则可以最大限度地利用能源。这种材料就是储能材料，利用的是材料的相变特性。全世界有近30%的能源消耗在建筑物上，我国的建筑能耗已超过全国能源消费总量的1/4,每平 方米的采暖能耗是欧洲建筑的3倍。因此在满足使用者舒适度的基础上，提高能源利用率，充分利 用自然能源，降低对外界热环境的影响，从可持续发展战略角度研究新节能技术和新型节能建材已 经势在必行。本课题的提出就是基于这种需求，从降低建筑物的能耗和满足人体的舒适度出发，探索相变材 料在建筑中的应用，给出相变材料应用于建筑中的最优情况，实现建筑经济效益和社会效益的结合。 1.2研究意义相变材料应用于建筑中，由于相变材料的储热作用，建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被 减弱、作用时间被延迟，减少了室内、外之间的散热量，改善了室内热环境，从而可以降低建筑物 供暖、空调系统的设计负荷，达到节能的目的。本课题应用模拟软件模拟分析相变材料在建筑墙体中的应用情况，考虑到实际环境，结合经济 性分析，从相变材料产生的综合效果来寻求最优化，应用于不同地区建筑中的相变材料的种类、相 变材料置入建筑物墙体中的位置、厚度等都可以从本项目得到，从而使相变材料应用于建筑中可以 得到更好的效果；运用模拟软件分析，可以省去大量复杂的数学计算、具体的实验过程，节约资源， 为以后分析相变材料在建筑中的应用提供了一种工具；综合考虑了相变材料对建筑节能的影响，并 且与经济性相联系，更具有实际意义。2国内外研究现状及趋势围护结构具有一定的蓄热作用，因此传入建筑的热量会发生延迟。以往在湿热环境中人们往往 只重视强化通风而忽略围护结构贮能对室内环境的改善作用，另外，人们在实际建筑中一般只考虑 经济性，因此在建筑中较多使用轻质结构。轻质结构热容量小，易造成室内温度波动较大，增加能 源消耗，影响人体的热舒适，危害人的身心健康和工作效率。Hirayama Y等人研究了具有不同热容的房间的特性。文中以木质结构和混凝土结构分别作为 轻质结构和重质结构的代表，模拟分析了间歇操作和连续操作时两种结构的热特性。研究结果表明， 重质围护结构有以下优点：可降低室内温度波动，提高舒适度，使建筑供暖或空调不用或少用能； 可以减小所需空气处理设备（加热及制冷）的容量，同时可使空调或系统利用夜间廉价电运行，降低 空调或供暖系统的运行费用。相变材料是指在其物相变化过程中，可以从环境吸收热（冷）量或向环境放出热（冷）量，从而达到 能量储存和释放目的的材料。相变储能材料能将暂时不用的能量储存起来，到需要时再将其释放， 这就可以缓解能童供与求之间的矛盾，节约了能源。相变材料具有较大的热容量，可以增大轻质结构的热容量，改善房间的热性能，提高舒适度， 将相变材料掺入到现有的建筑材料中，制成相变蓄能维护结构，可以大大增加维护结构的蓄热功能， 使用少量的材料就可以储存大量的热量。由于相变蓄能结构的储热作用，建筑物室内和室外之间的 热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟，从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，达到节 能的目的。洪广欢指出在综合考虑建筑初投资的情况下，尽量采用隔热性能好的材料，人为的采取措施弱 化围护结构内、外表面的对流换热和辐射换热过程，可以大幅度的降低空调系统的能耗。目前的围 护结构大都采用多层组合结构，保温层的组合位置不同，虽然热阻相同，热惰性指标相同，但其对 室内空气的热作用效果是不同的。很多学者对相变蓄能墙的研制和调温特性进行了研究。加拿大Concordia大学建筑研究中心 （CBS ）对相变墙体材料的选择和研制做了大量实验，对应用相变墙的被动式太阳房热性能进行了 实验研究和数值模拟。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory, LANL）的 计算结果表明，使用相变墙可以使建筑的逐时负荷均匀化，减少空调设备的初投资和运行费用。美 国橡树岭（Oak Ridge）国家实验室的Stoval 1和Tomlinson对含相变材料的石膏墙板用于冬季辅助采 暖进行了经济性分析。美国的Lawrence Berkeley国家实验室的Corina Stetiu等人用RADCOOL模拟 了相变墙板和夜间通风在商业建筑和民用建筑中的应用oRudd认为不同的季节依据人体舒适度的不 同应使用不同相变温度的相变材料。建筑物的能量仿真技术帮助了人们评价应用相变节能建筑材料的效果。Peippo研究了包含不同 量PCM的不同类型的墙体结构的热力学行为。A thienitis等则设计了一个用含PCM石膏板做内衬的 室外全尺寸测试房，石膏板包含了 25% （wt）的硬脂酸丁脂，得到了石膏板温度变化的非一维线性数 值模拟，结果显示应用相变石膏板可以在白天降低室内最高温度TC。Neeper研究了影响石膏板每 日相变的3个主要参数：PCM的融化温度，融化发生的温度范围，单位面积墙板的储热能力。同时 发现如果相变发生在一个温度范围则表明相变材料的储热能力在降低。在我国北方夏季昼夜温差较大地区可以应用相变储能墙板来调节室内温度，提高室内的热舒适 性，削减建筑中的空调负荷。实现在夜间利用通风对相变墙板蓄积冷量，在白天温度较高时吸收室 内多余的热量，达到调节室温、节能的作用。相变储能建筑墙板的应用使室内和室外之间的热流波 动幅度被减弱，外扰作用时间被延迟，从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，达到节能 目的。林坤平等建立了分析夏季结合夜间通风的相变墙房间热性能的理论模型，提出了评价房间夏季 过热不舒适程度的“累计日室内温度不舒适度”IDCt和“累计日室内综合温度不舒适度”IDC两个指 标。对于给定的气象条件和给定的相变墙房间，讨论了夏季“空调”型相变墙的优化设计方法，并 以伊宁地区为例进行了分析和计算，进一步讨论了相变墙房间优化热设计的方法，以此可得到某地 区相变墙房间的最佳使用效果，对相变墙的实际应用有一定指导作用。真正的相变建材还处于实验研究阶段，在这一技术领域，今后的研究热点问题包括：（1）进 一步筛选环保的低价相变材料，对在长期使用过程中物理化学性能稳定的相变材料，研究改善相变 材料的导热性能；（2 ）研究相变材料的封装工艺和封装材料，提咼相变节能建材的机械性能、耐 久性能、防火性及导热性能；（3）研究强化换热措施，沿传热流体流动方向布置相变温度不同的 组合相变材料；（4）普通建筑材料中掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合 后材料的储热、传热特性的研究；（5）在应用了相变储热装置或相变储热围护结构，具有不同热（冷） 源型式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件（包括气象条件），开展房间热过程的数值模拟研 究和与模拟研究对应的实验研究。（6）建立分析相变建筑构件的物理模型，在建筑热过程模拟程 序中添加考虑相变储能建筑结构的模块，使相变建筑构件使用效果的计算具有通用性和可比性；（7）开展工程实用性研究，在模拟的环境下测出相变墙体的有关热工参数，计算出相变墙体的储 放热速率，以此确定不同相变墙体的动态保温性能，并结合经济比较，分析得出最佳的相变材料含 量和相变温度；（8）降低成本，实现工业化。基于以上相变材料应用于建筑中的研究成果和今后研究的热点，本项目研究的重点是以人居环 境热舒适度和建筑节能相结合为基础，在自然状态下，研究不同的相变材料，以及同一种相变材料 置入建筑物墙体中的位置、厚度变化时，墙体各层材料的温度变化情况，并且分析不同情况下房间 内温度场的变化情况，从而确定最适合应用于建筑中的相变材料的种类；再考虑经济性（建筑初投 资），最终确定不同环境下应用相变材料的最佳类型与应用的最佳位置，为实现降低建筑能耗、节 约能源、保护环境提供一定的参考。3课题的研究内容、研究目标以及拟解决的问题3.1研究目标本课题以人居环境热舒适度和建筑节能相结合为基础，主要研究在自然状态下（即不用采暖和 空调），研究不同的相变材料，以及同一种相变材料置入建筑物墙体中的位置、厚度变化时，墙体 各层材料的温度变化情况，并且分析不同情况下房间内温度场的变化情况，从而确定最适合应用于 建筑中的相变材料的种类；再考虑经济性（建筑初投资），最终确定不同环境下应用相变材料的最 佳类型与应用的最佳位置，为实现降低建筑能耗、节约能源、保护环境提供一定的参考。3.2研究内容本课题主要研究不同种类的相变材料，以及同一相变材料置入建筑墙体中的不同位置、厚度， 对建筑物墙体温度、室内温度场变化的影响，具体分为以下几个方面：1理论分析相变材料在传热过程中的特性。相变层的传热过程比较复杂，其存在三个状态：固 态、液态、相变态（固液共存），本课题主要分析相变态在传热过程中的导热系数和热容量的变化 特点，以得出明确的数学关系式，并与普通建筑材料传热情况进行比较，为后面的模拟计算提供理 论支持。2. 获取几个不同地区的室外环境参数。选取具有不同室外环境参数的几个地区，如沈阳、上海 和广州，获取它们某几年夏季（68月）和冬季（122月）的气象参数（最高最低温度、平均温 度、温差、太阳辐射量），从这几年中选取参数最不利的一年，作为本课题的应用参数。3建立模型，理论分析。建立数学模型，在此基础上进行墙体（加入相变材料）传热的理论分 析，为后面模拟分析提供一定的理论基础；建立某房间的具体模型，建立房间模型时为使模型具有 通用性，建立如下图所示的房间模型（简图）：南在此模型中建立三个相邻的房间，以东西侧的1、2房间为研究对象，这样可使模型的分析更 具有通用性。4利用ANSYS模拟不同情况下，墙体和房间的温度变化情况。具体步骤如下：1）选取某一确定的相变材料，改变相变材料在建筑物墙体中的位置，分别将其外置、中置和 内置，在相同的外界条件下，模拟分析此三种情况下墙体各层材料交界面处的温度变化情况，选取 在同一外界条件下，各交界面温度变化最小的相变材料位置作为相变材料置入墙体中的最佳位置。2）利用1）中得出的相变材料的最佳位置，选取几种可用于建筑墙体的相变