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西藏地区被动太阳能建筑采暖研究

王磊  
【摘要】: 本文通过对西藏地区能源现状、气候特点、既有建筑热工性能与太阳能利用现状的分析,指出了西藏地区利用太阳能进行建筑采暖有重要的战略与实际意义。结合西藏军区太阳能采暖工程的需要及目前被动太阳能建筑领域所存在问题,采用数值模拟分析与现场实验相结合的方法,对西藏地区被动太阳能建筑设计中所面临问题进行研究。这些问题主要包括:如何对被动太阳房进行动态设计;如何确定强太阳辐射强度对辅助热源负荷的修正;如何确定高太阳辐射强度对系统供暖末端选择的影响等。 本文对影响太阳能建筑热过程的因素进行理论分析,确定了描述太阳能建筑热过程所需的主要数学物理模型,并详细介绍了利用状态空间法求解z传递函数系数和利用z传递函数法求解非稳态墙体传热的理论。对目前国内外常见建筑动态能耗模拟软件的特点及适用范围进行分析,确定了适合本课题研究的动态能耗模拟软件—EnergPlus,并分别采用软件间相互对比与现场实测的方法对该软件的可靠性进行验证。 在对被动太阳房动态优化设计的研究中,本文首先对国内外室内热舒适性指标文献进行总结与分析,确定了被动太阳房室内热舒适性标准;并对建筑几何模型的主要特征量(建筑朝向、建筑进深、建筑开间)进行敏感性分析,确定了具有一定代表性的模型建筑。基于该建筑模型,利用动态模拟方法,对太阳能建筑的关键热工参数(南墙热阻、外墙热质等参数)进行了分析。南墙热工性能对传热影响的分析结果表明:在高太阳辐射地区,提高南墙热工性能尽管会使白天南墙得热量减少,但同时也可使夜间失热量减少,且其夜间失热量的减少量大于白天得热的减少量。因此,从日周期角度来讲,南墙热工性能的提高有利于改善太阳房室内热环境。对外墙热质的分析结果表明:当外墙保温性能很差时,墙体热质对室内温度波动影响大,当外墙保温提高到一定程度时,室内温度波动主要受太阳直射的地板蓄放热性能影响,墙体热质对温度波动影响权重减少。在上述分析的基础上,本文利用动态模拟方法对不同日照率与太阳辐射强度条件下的模型建筑室内热环境进行计算分析。得出了满足被动太阳房室内热舒适标准时,不同太阳辐射资源所对应的最低室外平均温度的限值。给出了可以用于指导被动太阳房设计的室内外温差与室内温度波动计算图表。并利用该计算结果对西藏地区各主要城市利用被动式采暖的潜力进行分析,给出了可实现全被动采暖的区域。 在研究高太阳辐射强度对被动太阳房的辅助热源设计负荷的修正中,本文分析了房间热质对室内设计负荷修正的影响,得出了当外墙保温较好时,墙体热质对房间热负荷修正影响较小,可以将具有良好保温的太阳能建筑的负荷修正进行简化,可不考虑外墙热质对其修正系数的影响。并提出了将太阳辐射对辅助热源负荷的修正模型分为非透明围护结构与透明围护结构两部分进行计算。对于非透明围护结构其传热量的修正系数为室内外综合温差与室内外温度的比值;对于透明围护结构其修正值为进通过外窗射入室内太阳辐射平均值的0.9倍。 在研究太阳辐射强度对辅助热源末端形式选择影响时,本文采用动态模拟方法,对常用采暖末端(地板采暖、散热器采暖)的房间热舒适性与能耗进行分析,得出在太阳辐射较强的地区,当采暖系统仅采用室内温度反馈控制时,地板辐射采暖房间会出现较为严重的室内过热现象,同时其能耗值也大于采用散热器采暖的房间。因此,在高太阳辐射强度的严寒、寒冷地区,采用地板辐射采暖系统时,应对当地的太阳辐射强度、建筑围护结构特性、室内外温差、建筑空间尺度等因素进行综合考虑,而不能简单地认为低温地板辐射采暖系统优于散热器采暖系统。 为了弥补计算机模拟分析可靠性较低的缺点,本文对西藏地区的室外气象数据、既有建筑室内热环境、不同采暖系统的房间热过程、新建被动太阳房室内热环境等四个方面进行了现场测试,现场实验研究做为计算机模拟研究的有效补充。通过室外气象数据测试结果的分析表明:尽管西藏各地区室外温度有较大不同,但各地的太阳能资源极其丰富,说明西藏地区非常适合建造太阳能建筑;通过对既有非采暖建筑室内热环境的现场测试结果的分析表明:对于热工性能很差的既有建筑,其室内温度仍能接近被动太阳房热舒适性标准,说明该地区采用被动式采暖有很大潜力,可以实现以被动式采暖为主的采暖方式;通过对不同采暖系统的房间热响应动态过程测试结果的分析表明:地板采暖热惰性大,室内温度变化趋势与不同辅助热源末端形式对采暖温度变化的计算结果基本一致,验证了该部份计算结果的正确性;通过对被动太阳建筑测试结果与模拟计算结果的对比分析表明:通过数值计算得出的室内温度与现场实测的室内温度的变化范围与变化趋势基本吻合,说明本文所采用的数学物理模型和数值计算方法是可靠的,计算精度能满足工程应用需要。


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