被动式采暖建筑热性能分析方法的研究

论文摘要

常规建筑不仅在建造阶段消耗大量的不可再生能源,而且运行阶段的消耗也非常巨大,并且造成了对环境的污染破坏。因此,在合理利用可再生能源的基础上,探索建筑本身的调节作用,对于节约能源和降低环境负荷具有重要意义。自然调节建筑是要在不采用采暖降温设备系统的条件下,通过采用被动式建筑热工设计方法及以太阳能等可再生能源利用技术,对室内环境进行调节并满足一定舒适性要求的建筑。随着能源的紧缺,自然调节建筑的发展势在必行,而对其热性能的评价体系的建立尤为重要。本文本以采用阳光间和太阳能空气集热模块等被动式采暖技术的住宅建筑为对象,对其自然运行过程中的热性能进行研究分析,并进一步对评价方法的建立进行探索。论文主要研究要点如下：首先,对被动式采暖建筑热性能影响因素进行研究分析,确定了被动式采暖建筑热性能的三个影响因素,分别为能耗因素、经济因素、环境因素,并细化该类建筑热性能评价影响指标,确定了被动式技术供热量、围护结构热工参数、寿命周期内经济性指标、环境效益指标等六个相关性指标,选用层次分析法等数学分析方法,确定影响因素及相关性指标的权重和该类建筑热性能的综合评价系数计算方法及步骤,建立了一套被动式采暖建筑热性能的多层次、多目标的评价方法,对被动式采暖建筑分析方法进行了探索,并对自然调节建筑的设计提供指导。其次,针对不同地区太阳能空气集热器对建筑热性能的不同程度的影响及不同的气候适应性,通过实验的方法对含有太阳能空气集热器的建筑进行研究,分析比较了三种太阳能空气集热器的热效率、供热量以及对室内热环境的影响,研究表明连续运行工况下三种太阳能空气集热器热效率分别为48.25%、63.84%、58.8%,白天室内温度可以达到15℃以上,室内平均温度为13.9℃,并应用层次分析法的概念,完善其供热量的相关性因素,对比不同地区太阳能空气集热器的气候适应性,得出北京、兰州、大连地区含有太阳能集热器建筑的气候适应性好；并且通过分析研究太阳能空气集热器各种指标对被动式采暖建筑热性能的影响,确定其供热量作为被动式采暖建筑热性能评价体系中相关性指标。第三,采用热网络模型和频域回归分析方法,对附加阳光间传热过程的非稳态传热过程进行了深入研究,建立并求解了室外气象-阳光间-围护结构蓄放热-室内热环境耦合作用的整体建筑动态热过程的数学模型,模型的误差在20%符合研究要求,并对附加阳光间热工参数、供热量、节能率以及对建筑热环境的影响作了研究分析,研究表明不同气候条件下,阳光间供热量有所差异,在阳光充足的地区,如呼和浩特,阳光间供热量最多能提供大约为80MJ；最低供热量的地区为西安,北京、大连、呼和浩特三个地区阳光间日节能率高于其他地区,北京地区最高日供热量达到42MJ,节能效果明显；对附加阳光间气候适应性进行分析得到大连、北京、兰州适合附加阳光间技术的应用；并提出附加阳光间供热量作为此种被动式采暖技术对被动式采暖建筑热性能影响的相关性指标,为被动式采暖建筑热性能分析方法的指标构建提供了条件,并对优化附加阳光间设计提供了理论基础。最后,采用本文提出的被动式采暖建筑热性能分析方法,对六个被动式采暖建筑案例进行了综合评价,得到了集环境效益、经济性指标及能源指标为一体的综合性评价矩阵,对所采用的被动式技术进行等级分类,最终对比分析得出热性能最优的被动式采暖建筑的组合形式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 基于被动式采暖技术应用建筑技术研究现状
• 1.2.1 自然调节建筑的特征
• 1.2.2 被动式采暖技术的研究现状
• 1.3 建筑热性能评价研究现状
• 1.3.1 评价体系
• 1.3.2 评价指标
• 1.4 存在的问题和本研究的主要内容
• 1.4.1 存在的问题
• 1.4.2 研究内容
• 2 自然调节建筑热性能分析理论基础
• 2.1 阳光间数学模型系数确定
• 2.1.1 室内辐射换热角系数的确定
• 2.1.2 通过大孔洞自然对流系数的确定
• 2.2 通风量的计算
• 2.2.1 热压的计算
• 2.2.2 热压作用下通风量的计算
• 2.3 基于围护结构蓄热的建筑传热的计算方法
• 2.4 评价体系理论基础
• 2.4.1 问题层次结构模型的建立
• 2.4.2 问题影响因素判断矩阵的构建
• 2.4.3 隶属函数的选取和一致性检验
• 2.4.4 最高层的合成权重的计算
• 2.5 本章小结
• 3 太阳能空气采暖建筑热性能评价研究
• 3.1 实验概况
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 太阳能集热器的供热能力及热效率
• 3.2.2 无辅助热源太阳能空气集热器的采暖效果
• 3.2.3 太阳能空气集热器采暖保证率
• 3.3 太阳能空气采暖建筑的气候适应性
• 3.4 本章小结
• 4 附加阳光间传热计算模型
• 4.1 附加阳光间传热分析
• 4.2 计算模型的假设条件
• 4.3 数学模型的建立
• 4.4 热平衡方程组中的系数确定
• 4.4.1 自然对流系数M值的确定
• 4.4.2 围护结构内外表面对流换热系数的确定
• 4.4.3 辐射换热系数的确定
• 4.4.4 附加阳光间室内外得热的确定
• 4.5 传热模型的求解
• 4.6 模型的验证
• 4.6.1 实验验证
• 4.6.2 误差分析
• 4.7 本章小结
• 5 含附加阳光间建筑热性能的研究分析
• 5.1 计算概述
• 5.2 阳光间进深
• 5.2.1 进深对室温的影响
• 5.2.2 进深对节能量和节能率的影响
• 5.3 蓄放热特性对室内温度的影响
• 5.4 附加阳光间夜间保温窗帘对建筑热性能的影响
• 5.5 含附加阳光间建筑的气候适应性
• 5.6 本章小结
• 6 自然调节建筑热性能评价方法的探索
• 6.1 评价方法的指导思想
• 6.2 评价方法的提出
• 6.2.1 相关评价指标的确定
• 6.2.2 指标权重的确定
• 6.2.3 综合评价指标的计算方法
• 6.3 案例分析
• 6.3.1 评价对象
• 6.3.2 相关性指标选取及指标定量计算
• 6.3.3 相关性指标权重的确定
• 6.3.4 建筑热性能的综合性评价
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 创新点
• 参考文献
• 附录A 建筑案例围护结构构造及做法
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢