Collaborative Research: Multifunctional Structural Panel for Energy Efficiency and Multi-Hazards Mitigation

合作研究:用于提高能源效率和减轻多种危害的多功能结构面板

基本信息

  • 批准号:
    1563551
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-08-01 至 2021-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The building sector in the United States is responsible for approximately 40 percent of the primary energy consumption and carbon dioxide emission, and the construction of lighter structures results in higher flexibility, thereby increasing wind-induced vibrations, which may create discomfort and frequent inoperability. It is critical to investigate alternative structural technologies capable of improving energy efficiency and maintaining serviceability. This study re-thinks conventional structural load bearing panels into multifunctional components to generate multiple benefits: (1) significantly increasing the energy efficiency of the building; (2) enabling high efficiency use of the renewable energy; (3) providing ancillary services of operation reserve to the power grid; (4) paring onsite renewable generation (e.g., solar and wind) with energy storage; (5) mitigating natural hazards to ensure serviceability. The potential societal impacts of the environmental-conscious and resilient building are substantial. The education and outreach plan will consist of: (1) integrating research within the undergraduate classrooms through the development of teaching modules and special topics lectures; (2) educating high school students and teachers on the topic of building energy, and teaching and training undergraduate students by directly involving them in the research project; and (3) broadening the participation of under-represented groups by leveraging resources at both research institutions. Advances in fundamental knowledge will enable to create a multifunctional panel: (1) investigating how Phase Change Materials (PCMs) can be integrated into construction materials (concrete) without significantly altering structural strength; (2) investigating the synergy of combining PCM and a capillary system within a structural panel to significantly enhance energy storage and vibration mitigation capabilities; (3) studying the integration of the multifunctional panel to eliminate ductwork and heat transfer terminals, support a power grid system with high penetrations of as-available renewable energy sources, and dissipate vibrations through inertia. Research tasks will be centered around three hypotheses. (1) PCMs can be integrated into concrete through microencapsulation using low-cost and highly thermal-conductive hollow fly ash particles to enhance the thermal energy storage capacity without significant adverse effect on strength. (2) The synergy of combining PCM and a capillary system into a concrete structural panel can significantly enhance the energy performance by amplifying the efficiency of the energy storage of PCM and directly using low-grade energy, such as ground water, to balance supply and demand. (3) A capillary system embedded in a structural panel can be leveraged through a series of controlled valves to provide vibration mitigation capabilities versus large deflections and vibrations.
美国的建筑部门造成了大约40%的主要能源消耗和二氧化碳的排放,而较轻的结构的构建会导致更高的灵活性,从而增加了风引起的振动,这可能会造成不适和频繁的不适性。 研究能够提高能源效率和维持可使用性的替代结构技术至关重要。这项研究将传统的结构负载轴承板重新考虑到多功能组件以产生多个好处:(1)显着提高建筑物的能源效率; (2)能够高效使用可再生能源; (3)为电网提供辅助操作储备服务; (4)使用储能的现场可再生生成(例如太阳能和风); (5)减轻自然危害以确保可维护性。环境意识和弹性建筑的潜在社会影响是巨大的。教育和外展计划将包括:(1)通过开发教学模块和特殊主题讲座来整合本科教室内的研究; (2)通过直接参与研究项目,向高中生和教师提供有关建立能量的主题以及教学本科生的主题; (3)通过利用这两个研究机构的资源来扩大代表性不足的群体的参与。基本知识的进步将使能够创建一个多功能小组:(1)研究如何将相变材料(PCM)整合到建筑材料(混凝土)中,而不会显着改变结构强度; (2)研究结构面板中PCM和毛细管系统的协同作用,以显着增强能源的储能和振动缓解能力; (3)研究多功能面板的整合以消除管道和传热终端,支持具有高渗透可再生能源的较高穿透力的功率网系统,并通过惯性消散振动。研究任务将围绕三个假设。 (1)可以使用低成本和高热导电的空心粉煤灰颗粒通过微囊化将PCMS整合到混凝土中,以增强热量存储能力,而不会对强度产生重大不利影响。 (2)将PCM和毛细管系统组合到混凝土结构面板中的协同作用可以通过扩大PCM储能的效率并直接使用低级能量(例如地下水)来平衡供应和需求来显着增强能量性能。 (3)可以通过一系列受控阀利用嵌入结构面板中的毛细管系统,以提供振动缓解能力与大偏转和振动。

项目成果

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