被动式太阳能建筑动态室温预测及能耗分析

【摘要】： 建筑能耗在社会商品总能耗中的较大比重决定了降低建筑能耗在降低全社会能源消耗、实现可持续发展战略中的重要地位。被动式太阳能建筑作为一种良好的可持续建筑，具有长足的发展潜力。制约被动式太阳能建筑普及应用的关键因素之一为其室温不稳定，随室外气候条件波动较大，配置合适的辅助热源至关重要，而保证辅助热源合理配置的前提是要掌握自然气候条件下太阳能建筑的室内温度变化及热负荷的准确信息。目前，国内外大多数学者都将研究的重点聚焦在集热蓄热单体部件的热性能讨论上，而对含太阳能空气集热模块建筑的冬季动态室温和热负荷变化情况的研究甚少。因此本文着眼于建筑整体系统，对被动式太阳能建筑冬季室内热环境及热负荷变化作了深入的理论研究。 本研究建立了一个可预测含太阳能空气集热模块建筑冬季室温及热负荷的计算模型并借助Matlab编写了模拟程序，并用实验数据验证了该模型的准确性。利用此模型程序对含太阳能空气集热模块建筑多种工况下的动态室温及热负荷进行模拟计算，通过分析得到：室外气温对供热量的影响很小，室外气温每升高1℃单个集热模块的供热量仅增加3.8 W／℃；有保温的太阳能空气集热模块改善冬季室温的效果明显好于无保温集热模块；含太阳能空气集热模块建筑的室温无论在晴天还是在阴天都要高于普通的节能建筑，其采暖节能率为48.9％；在日平均辐射照度约为460 W／m~2时，正午前后室内出现冷负荷，大连地区1月份晴天时集热模块平均每日的多余供热量大约为760kJ／m~2·d，1月份平均每日的热负荷为1999 kJ／m~2·d，多于供热量占热负荷的38％，若有效储存这部分热量并在夜间释放，将改善夜间室温，达到更好的节能效益。 同时，本文还从全生命周期角度分析了被动式太阳能建筑的总能耗，从建筑各阶段能耗分配比例来看，耗能最大的仍是建筑运行阶段的采暖能耗，但相对于普通节能建筑，被动式太阳能建筑的这部分比例有所减少；通过对国内外6种不同类型建筑的对比分析，发现我国节能65％建筑的能耗仍与美国、瑞典的低能耗住宅有相当大的差距；提高建筑的使用寿命能有效降低建筑生命周期内的年能耗，也是建筑节能的一个重要环节，建筑节能应着眼于整个建筑生命周期。 本研究为太阳能建筑设计阶段的辅助热源的配置提供参考依据，以便设计合理的辅助能源系统及其控制系统来解决太阳能建筑全天候的室内舒适性问题，对推动太阳能建筑的发展具有重要的意义与应用价值。 【关键词】：被动式太阳能建筑 动态热负荷 建筑生命周期能耗
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TU111
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 课题的意义9-10
• 1.2 研究背景10-16
• 1.2.1 现有的建筑能耗计算方法10-12
• 1.2.2 被动式太阳能建筑热性能模拟的研究现状12-16
• 1.3 被动式太阳能建筑热性能分析中的特殊问题16-20
• 1.3.1 被动式太阳能建筑特殊结构的传热过程17-18
• 1.3.2 窗墙比与太阳得热、能耗三者之间的关系18-19
• 1.3.3 太阳辐射模型19-20
• 1.4 本研究的目的及主要内容20-22
• 1.4.1 本研究目的20-21
• 1.4.2 研究内容21-22
• 2 建筑热环境评价及能耗模拟的理论基础22-28
• 2.1 建筑热环境评价的分类及评价指标22-23
• 2.1.1 热环境评价的分类22
• 2.1.2 评价指标22-23
• 2.2 建筑热过程模拟的计算模型23-28
• 2.2.1 物理模型23-24
• 2.2.2 数学模型24-26
• 2.2.3 建筑围护结构非稳态传热分析方法26-28
• 3 太阳辐射对直接受益式住宅室温影响的实测调查研究28-38
• 3.1 实测概况28-29
• 3.1.1 实测对象28
• 3.1.2 实测内容28-29
• 3.2 太阳辐射作用下室内热湿环境现状分析29-31
• 3.3 地板采暖住宅的热平衡分析31-32
• 3.4 采暖期地板表面光斑动态变化模拟32-34
• 3.4.1 地板表面光斑的日变化模拟32
• 3.4.2 采暖期地板表面光斑面积的计算32-34
• 3.5 混凝土附面层的直接太阳得热量的计算与分析34-36
• 3.6 本章小结36-38
• 4 含太阳能空气集热模块建筑的传热计算模型38-49
• 4.1 假设条件38
• 4.2 传热计算模型的建立与传热系数的确定38-42
• 4.2.1 含太阳能空气集热模块墙体38-41
• 4.2.2 其他围护结构41-42
• 4.2.3 室内空气热平衡方程42
• 4.3 模型的求解42
• 4.4 模型验证42-46
• 4.4.1 实验概述42-44
• 4.4.2 实验验证44
• 4.4.3 误差分析44-46
• 4.5 本章小结46-49
• 5 含太阳能空气集热模块建筑冬季室温及热负荷预测49-67
• 5.1 模拟对象及计算条件49-52
• 5.1.1 模拟对象49
• 5.1.2 计算条件49-52
• 5.2 室外气候条件对集热模块供热量影响的敏感性分析52-54
• 5.3 不同形式太阳能空气集热模块建筑的热环境模拟分析54-57
• 5.3.1 结构形式对供热量的影响55
• 5.3.2 结构形式对室内热环境的影响55-57
• 5.4 与普通节能建筑的冬季动态室温对比57-61
• 5.5 含太阳能空气集热模块建筑动态热负荷的模拟分析61-65
• 5.5.1 动态热负荷变化61-62
• 5.5.2 与普通节能建筑热负荷对比分析62-63
• 5.5.3 日平均热负荷与室外气温的关系63-64
• 5.5.4 采暖期节能率64-65
• 5.6 本章小结65-67
• 6 被动式太阳能建筑的全生命周期能耗分析67-79
• 6.1 建筑生命周期能耗(LCE)的构成67-68
• 6.2 太阳能建筑与常规节能建筑 LCE计算方法的区别68-69
• 6.3 生命周期各阶段的能耗计算69-74
• 6.3.1 建材生产过程69-71
• 6.3.2 运输过程71-72
• 6.3.3 施工阶段及拆除阶段72-73
• 6.3.4 居住使用阶段能耗73-74
• 6.3.5 生命周期总能耗74
• 6.4 被动式太阳能建筑 LCE分析74-77
• 6.4.1 各阶段能耗分配比例74-76
• 6.4.2 不同类型建筑的LCE对比76-77
• 6.5 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-85
• 附录A 含太阳能空气集热模块建筑冬季热负荷模拟程序85-98
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况98-99
• 致谢99-100

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