Study on the design strategy of adaptive skin for residential buildings in hot summer and cold winter climate zone of China

The climate features of hot winter and cold winter climate zone make the general skin design of buildings unable to meet the indoor heat demand of residential buildings. With the development of science and technology, air conditioning and other thermal environment control equipment provide people with a way to improve the indoor environment with the cost of energy consumption, which exacerbated the problem of energy consumption. In order to improve the indoor thermal comfort of residential buildings in hot summer and cold winter areas and reduce building energy consumption, this paper proposes a new climate adaptive skin design——ventilation and heat-storage wall. The new adaptive skin consists of thermal insulation layer, air layer and heat storage layer. Air layer can be combined with the nuture sources such as shallow geothermal energy, enegy from heat (cold) wind from air condition and biomass stove smoke, so as to achieve dynamically adjust design to climate change. This paper carrys out the theoretical analysis and numerical simulation of the new climate adaptive skin thermal performance. Main research contents include the following aspects: (1) This paper reviews the history of climate adaptive skin, sort out different types of architectural climate adaptive skin and analysis the technical advantages and disadvantages of the different design strategy; Based on the climate characteristics, resource conditions and residents' opinions obtained from field research in hot summer and cold winter areas, this paper put forward a new adaptive skin design for residential buildings. (2) In this paper, the mathematical model of heat transfer process of ventilation regenerative skin is established by theoretical analysis method, and the physical model of skin parameterization is established by MATLAB software programming. The accuracy of model is verified by experimental data. On this basis, the key influence parameters of the cuticle air layer under three air supply conditions of tunnel wind, air conditioning wind and biomass stove smoke were analyzed and the influence of various structural parameters on the thermal performance of the cuticle was obtained. (3) In order to maximize the thermal regulation capacity of ventilated regenerative epidermis, an optimal design method for the structural parameters of the epidermis under specific design background was proposed. Taking the optimization results of Shanghai area as an example, when the air layer of the ventilated regenerative skin uses tunnel air or kitchen smoke, it can become a cold (hot) radiant plate with good performance. When the air layer uses air conditioning to exhaust air, compared with the general energy-saving skin with closed air layer, the ventilated regenerative skin can significantly reduce the heat loss in summer and winter. The research results of this paper provide guidance for the adaptive skin design in hot summer and cold winter areas, which is conducive to improving the indoor thermal comfort environment and reducing building energy consumption.

Studio sulla strategia di progettazione della pelle adattiva per edifici residenziali in estate calda e fredda zona invernale della Cina. Le caratteristiche climatiche dell'inverno caldo e della zona climatica invernale fredda rendono il design generale della pelle degli edifici incapace di soddisfare la domanda di calore interno degli edifici residenziali. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, l'aria condizionata e altre apparecchiature di controllo dell'ambiente termico offrono alle persone un modo per migliorare l'ambiente interno con il costo del consumo di energia, che ha aggravato il problema del consumo di energia. Al fine di migliorare il comfort termico interno degli edifici residenziali nelle calde zone estive e fredde invernali e ridurre il consumo di energia degli edifici, questo documento propone un nuovo design della pelle adattivo al clima: parete di ventilazione e conservazione del calore. La nuova skin adattiva è composta da strato di isolamento termico, strato di aria e strato di accumulo di calore. Lo strato d'aria può essere combinato con le fonti di nuture come energia geotermica superficiale, energia proveniente dal vento caldo (freddo) delle condizioni dell'aria e fumo della stufa a biomassa, in modo da ottenere un adeguamento dinamico del design ai cambiamenti climatici. Questo documento analizza l'analisi teorica e la simulazione numerica delle nuove prestazioni termiche cutanee adattive al clima. I principali contenuti della ricerca includono i seguenti aspetti: (1) Questo documento analizza la storia della pelle adattiva al clima, risolve i diversi tipi di pelle adattiva al clima architettonico e analizza i vantaggi e gli svantaggi tecnici della diversa strategia di progettazione; Sulla base delle caratteristiche climatiche, delle condizioni delle risorse e delle opinioni dei residenti ottenute dalla ricerca sul campo nelle calde zone estive e fredde invernali, questo documento ha presentato un nuovo design adattivo della pelle per gli edifici residenziali. (2) In questo articolo, il modello matematico del processo di trasferimento di calore della pelle rigenerativa della ventilazione è stabilito mediante un metodo di analisi teorica e il modello fisico di parametrizzazione della pelle è stabilito dalla programmazione del software MATLAB. L'accuratezza del modello è verificata da dati sperimentali. Su questa base, sono stati analizzati i parametri di influenza chiave dello strato d'aria della cuticola in tre condizioni di alimentazione dell'aria del vento della galleria, del vento dell'aria condizionata e del fumo della stufa a biomassa ed è stata ottenuta l'influenza di vari parametri strutturali sulle prestazioni termiche della cuticola. (3) Al fine di massimizzare la capacità di regolazione termica dell'epidermide rigenerativa ventilata, è stato proposto un metodo di progettazione ottimale per i parametri strutturali dell'epidermide nell'ambito di uno specifico progetto. Prendendo ad esempio i risultati di ottimizzazione dell'area di Shanghai, quando lo strato d'aria della pelle rigenerata ventilata utilizza l'aria del tunnel o il fumo della cucina, può diventare una piastra radiante fredda (calda) con buone prestazioni. Quando lo strato d'aria utilizza l'aria condizionata per espirare l'aria, rispetto alla pelle a risparmio energetico generale con strato d'aria chiuso, la pelle rigenerativa ventilata può ridurre significativamente la perdita di calore in estate e in inverno. I risultati della ricerca di questo documento forniscono una guida per il design adattivo della pelle nelle calde aree estive e fredde invernali, che è favorevole al miglioramento dell'ambiente di comfort termico interno e alla riduzione del consumo di energia dell'edificio.