PV-ETFE氣枕屋頂系統(tǒng)性能研究.pdf

1、乙烯-四氟乙烯（ethylene tetrafluoroethylene，ETFE）氣枕膜結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高透光、自潔性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型體育場(chǎng)館和機(jī)場(chǎng)航站樓等對(duì)建筑美學(xué)、建筑采光物理和結(jié)構(gòu)性能有較高要求的建筑結(jié)構(gòu)體系。ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有：ETFE薄膜的高透光率使得氣枕內(nèi)溫度較高，ETFE氣枕具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和工廠預(yù)制，可適應(yīng)于復(fù)雜大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這些特點(diǎn)與非晶硅太陽能電池（Photovoltaic，PV）的柔韌性和高溫

2、適應(yīng)性相匹配，將ETFE氣枕和PV結(jié)合為光伏膜結(jié)構(gòu)一體化建筑。利用PV的光電光熱效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化成電能和熱能，降低建筑能耗，使建筑成為低耗能、可持續(xù)和對(duì)環(huán)境友好的建筑。基于此，本文提出了將柔性PV與三層ETFE氣枕結(jié)合的新型光伏一體化膜結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱 PV-ETFE氣枕屋頂），具有利用電能、收集熱能、避免外界環(huán)境對(duì) PV的不利影響和PV高溫對(duì)結(jié)構(gòu)用ETFE薄膜的直接影響的特點(diǎn)?？紤]PV將對(duì)建筑體系產(chǎn)生新的系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)行為，本文圍繞相關(guān)問題

3、開展了試驗(yàn)、分析和理論研究，并取得了一些具有研究意義和工程價(jià)值的成果。
　　首先，第三章進(jìn)行了不同加載速度和加載溫度下ETFE薄膜單軸拉伸試驗(yàn)，提出了一種基于數(shù)學(xué)擬合求屈服點(diǎn)和彈性模量的方法。通過分析所得力學(xué)性能和對(duì)比已有文獻(xiàn)值證明了該方法的正確性和合理性，表明該方法可較為準(zhǔn)確和快速確定ETFE薄膜的力學(xué)參數(shù)。基于宏觀現(xiàn)象、各向同性材料小應(yīng)變和Clausius-Duhem不等式，推導(dǎo)了ETFE薄膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，編寫了基于兩步法確

4、定本構(gòu)方程參數(shù)的程序。與單軸拉伸力學(xué)性能不同，ETFE薄膜單軸循環(huán)拉伸力學(xué)性能可用于分析ETFE結(jié)構(gòu)受循環(huán)荷載作用的結(jié)構(gòu)行為。因此，第四章進(jìn)行了8組不同加載應(yīng)力幅值的試驗(yàn)，編寫了計(jì)算材料常數(shù)的程序，通過對(duì)彈性模量、屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)變、棘輪應(yīng)變和滯回環(huán)面積的的研究，揭示了ETFE薄膜粘彈塑性力學(xué)機(jī)理。
　　為了研究PV-ETFE氣枕屋頂?shù)南到y(tǒng)性能，第五章設(shè)計(jì)研制了一套由三層ETFE氣枕和柔性PV結(jié)合的建筑屋頂系統(tǒng)及其綜合測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)

5、行了冬季和夏季典型天氣條件的實(shí)測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得了系統(tǒng)的電氣參數(shù)、熱參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了系統(tǒng)的光電性能、光熱性能和氣枕壓力性能等。試驗(yàn)結(jié)果分析驗(yàn)證了該 PV-ETFE氣枕屋頂系統(tǒng)的可行性，揭示了該系統(tǒng)獨(dú)特的技術(shù)特征。
　　PV溫度值及其變化規(guī)律是分析氣枕結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)，而ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)是研究系統(tǒng)建筑熱物理和熱結(jié)構(gòu)分析的必要條件。因此，第六章首先基于能量守恒法推導(dǎo)了PV的動(dòng)態(tài)熱模型，研究了冬夏季晴和晴轉(zhuǎn)多云天氣的溫度變化規(guī)律

6、。然后在穩(wěn)定溫度邊界條件和不可壓縮流體的假定下，建立二維模型分析了在夏季晴11:30~12:30氣枕內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的特征，基于該溫度場(chǎng)計(jì)算了氣枕上層膜和下層膜的表面熱傳遞系數(shù)，結(jié)果表明 PV-ETFE氣枕的表面熱傳遞性能優(yōu)于常規(guī) ETFE單層結(jié)構(gòu)的熱傳遞性能。
　　最后，第七章基于ETFE薄膜不同溫度測(cè)得的非線性本構(gòu)模型，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法模擬得到的氣枕表面溫度作為溫度邊界條件，分析了氣枕結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓250Pa和膜面預(yù)應(yīng)力1