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集热蓄热采暖房间的热分布规律及设计策略研究

沈天成  
【摘要】:集热蓄热墙是一种非常有效的被动式太阳能构造墙体,自1956年提出至今已经有了很多关于它热性能评估和改良的研究和实践应用。但是集热蓄热墙在国内并没有被广泛应用,其中一个重要的原因是建筑师只是大概了解集热蓄热的绿色节能空间原理,没有将它与设计工作相结合,设计时不会主动使用它,更不会优化或者创造性的使用。本文将基于集热蓄热原理的空间进行了分析,将其分为集热蓄热空间和直接影响空间两部分,并针对这两个部分进行了优化方向的说明,再进一步对集热蓄热房间的热分布规律进行研究。现有的研究中,没有从空间的角度展开集热蓄热墙效果的研究。鉴于现有的集热蓄热墙大都应用于住宅建筑中,本文将研究落位与集合住宅,结合具体空间进行分析。通过对集热蓄热墙传热理论的分析,将集热蓄热房间物理模型简化,并进行模拟得到集热蓄热墙对室内空间温度场、流场、采暖能耗、平均温度等的影响结果。将这些影响结果结合建筑空间进行分析,得出集热蓄热墙对室内温度、空气流速、采暖能耗等影响的空间分布规律和空间的变化对集热蓄热墙影响程度的定性关系。再将这些规律和关系转变为集热蓄热房间的使用和设计策略,结合集合住宅案例的优化模拟对比,说明这些策略的可行性和有效性。本文研究的规律及相应设计策略如下:(1)太阳辐射强度是影响集热蓄热墙效果的最主要因素,辐射强度越高升温越明显。根据模拟的温度和能耗数据,得出的集热蓄热房间的使用策略为:在采暖期法向辐射强度小于200 W/m~2的地区不推荐使用集热蓄热房间,大于200 W/m~2的地区适合使用集热蓄热房间,其中大于300W/m~2的地区最适合使用。(2)室内温度场的等温线大部分为垂直分布,辐射强度一定时,可以通过函数关系知道各进深处的空气升温值。集热蓄热墙对室内空气升温的影响最有效的范围在进深0-7m之间,超过7m的区域空气温度变化小。进深增加对集热蓄热墙采暖效果的影响较小,可略微提高空气升温的最高值。根据这个规律,得出的设计策略为:将进深小的集热蓄热墙房间与内侧房间连通,增加房间进深,例如阳台使用集热蓄热墙时,将阳台与内侧房间连通,提高集热蓄热房间利用效率。(3)层高变高,集热蓄热墙的高度增加,集热蓄热墙的供热能力也相应增加,白天室内的温度提高。根据这个规律,得出的设计策略为:对于集合住宅的顶层户型,可以改变房间形体,增加集热蓄热墙高度扩大其面积,提高集热蓄热房间的采暖效果。(4)集热蓄热墙宽度增加,采暖期室内平均温度提高,采暖能耗减少,集热蓄热墙的效率相应提高。根据这个规律,可以使用的设计策略为:通过调整户型南侧窗户尺寸,扩大集热蓄热墙宽度,使其面积增加,提升采暖效果;或者通过合并户型南侧房间,使集热蓄热墙集中布置,增大单面集热蓄热墙,提高集热蓄热房间的效率。通过展示和说明集热蓄热墙对建筑室内的影响、集热蓄热房间的使用和设计策略,希望集热蓄热墙能更好的与建筑方案设计结合,有更广泛、更有效的应用。


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