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被动式太阳能建筑结合相变墙体在沈阳地区的应用研究

陈其针  
【摘要】: 随着经济和社会的快速发展,我国能源需求迅速增长。而现实中,能源的短缺,以及由此产生的环境污染问题,正成为我国经济与社会可持续发展的重要制约因素。因此,减少化石能源消耗、发展低碳技术、推广可再生能源应用、提高用能效率已成为我国今后能源使用与发展的重要方向。 目前,建筑能耗占我国全社会终端能耗的30%左右,建筑节能已成为我国节能减排的重点领域之一。太阳能是一种取之不尽,用之不竭的能源,将其收集并应用在建筑中,将节省大量的二次能源消耗。被动式太阳能建筑就是在建筑的设计建造和运行使用过程中加入适应太阳能利用的要素,在基本不消耗其他能源的情况下,利用太阳能满足建筑用能需求。目前,被动式太阳能建筑普遍采用集热蓄热墙式,在冬季,利用其南向的垂直集热蓄热墙吸收太阳辐射热为室内加热。但是,厚重集热墙表面温升较慢,空气加热存在较大的时滞性,而且,温度较高的集热墙在向室内散热的同时,向室外传热产生较大的热损失;而在夏季,强烈的太阳辐射使集热墙表面温度很高,室内易产生过热现象。 相变材料在发生相变的过程中具有吸收或释放大量能量的特性,将其用于建筑材料或其它建筑产品中,可实现节能或转移负荷的目的。 由此,提出了被动式太阳能建筑结合相变墙体运行的应用方式,将太阳能的利用与相变蓄能技术相结合,利用相变材料的相变潜热,在冬季的白天,将太阳能蓄存在相变材料中,夜间将蓄存的热能释放出来,提升夜间室内温度,减少房间温度昼夜波动,提高舒适性;在夏季利用夜间低温的室外空气蓄冷,供白天用于降低室内温度。在沈阳地区建立了结合相变墙体的被动式太阳能实验房间,在冬季蓄热、供热,夏季蓄冷、降温四种运行工况下,对太阳墙和相变墙的内表面温度、夹层内和室内的空气温度、其他围护结构表面的温度等进行实测,对各围护结构的热性能等进行分析,并利用偏相关分析法分析不同因素对室内温度的影响权重。 基于动态热网络分析法,建立了结合相变墙体的被动式太阳能建筑四种运行工况的数学模型。该模型考虑了重质围护结构的非稳态导热,太阳能集热墙、相变墙的运行对室内空气温度的影响,相变墙与室内其他围护结构的辐射换热,各围护结构间的辐射换热等传热过程等。基于热平衡分析法获得理论公式,最终确定系统内各围护结构和空气的节点温度。将实测数据与预测结果进行比较,实验结果与预测结果吻合良好,证明了模型的正确性。 利用经验证的数学模型,对结合相变墙体的被动式太阳能建筑热工性能的影响要素、太阳墙和相变墙结构等进行优化设计分析。结果表明,在定风量条件下,空气夹层厚度的变化对太阳墙的换热量影响明显,当夹层厚度为40mm时,集热效果最好;集热墙体随着高度的增加,蓄热效果不断提高;通过将北方部分地区的气候条件与沈阳地区的比较分析,得出结合相变墙体的被动式太阳能建筑在我国北方地区具有较广的适用范围。


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