黄、渤海沿岸被动式太阳能建筑热性能的研究

论文摘要

在海岛、海岸以及海上城市等海上空间的开发利用中,被动式太阳能建筑能够充分利用得天独厚的太阳能资源,解决海上建筑常规能源供应所带来的一系列技术、经济问题,不仅具有明显的经济效益和环保效益,而且具有深远的社会意义。黄、渤海沿岸处于北半球暖温带寒冷地区,属于海洋性兼季风性气候。该地区被动式太阳能建筑的全年热舒适性亟需提高,尤其是夏季室内过热问题普遍存在,是限制被动式太阳能建筑推广应用的症结所在。为此,对黄、渤海沿岸被动式太阳能建筑的热特性及建筑设计方法开展系列研究,将为有效解决海上建筑的能源供应问题和舒适性问题提供科学依据,促进海上空间的开发,具有十分重要的理论意义和工程实用价值。基于前人的研究和构想,从兼顾提高冬季保温性能和消除夏季过热的思路出发,提出了内置卷帘和温控风门联合控制的被动式太阳能建筑全年热环境控制措施。其特点是利用集热蓄热墙体内置卷帘进行冬季保温、夏季遮阳;利用不同位置风门的启闭控制通风的流向以加热或冷却房间。设计并建造了采用这种控制措施的原型被动式太阳能实验房,在黄、渤海沿岸海洋性兼季风性气候条件下,分别对不同热环境控制措施下冬季保温性能、夏季隔热降温性能进行对比性实验,研究结果表明,冬季卷帘保温作用可以提高房间舒适性;夏季可以有效消除过热,室内温度基本低于29℃,低于非空调房间可接受的上限温度。在最佳控制模式作用下,对上述被动式太阳能实验房的动态热过程进行了实验研究。利用偏相关分析方法,分辨出室内空气温度的诸多耦合影响因素中的主导因素,进而分析了提高建筑热性能的有效途径;量化分析了集热蓄热墙体的蓄放热过程以及建筑内自然对流换热特性;研究结果发现,在本实验条件下,夹层内空气流动处于从层流到湍流的复杂流态。无论是集热蓄热墙还是玻璃盖板,都至少有一半的高度全天处于空气湍流状态。根据Rα数的变化率,空气循环可以划分为起始、稳态循环和消失三个阶段。基于动态热网络分析法和频域回归分析方法,首次对卷帘和温控风阀联合控制下的集热蓄热墙式被动太阳能建筑这种特殊形式的建筑,建立了整体建筑全年热过程的动态数学模型。该模型考虑了侧面有开口夹层以及封闭夹层内的热压驱动的自然对流换热、墙体的非稳态导热、太阳辐射和围护结构表面之间的辐射等综合传热过程。采用基于热平衡分析得到的指数形式理论公式确定夹层内空气温度参数。通过模拟结果与实验数据的对比,实验结果与模拟结果之间吻合良好,验证了该数学模型的准确性。通过经验证的数学模型,对黄、渤海海岸被动式太阳能建筑热性能的影响因素以及建筑设计的优化进行了进一步分析。模拟分析结果表明,夹层厚度的增加会提高室内空气温度,但也会增加室内空气倒流进夹层的可能性,夹层厚度为0.3m较为适宜;在集热蓄热墙体面积一定的条件下,墙体宽高比为1/4时,有效供热量达到最大。通过与同纬度内陆地区集热蓄热式被动太阳能建筑热性能的对比,分析了改进型被动式太阳能建筑全年热环境控制措施对黄、渤海沿岸地区的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 被动式太阳能建筑—适于海洋空间利用的节能建筑
• 1.1.2 被动式太阳能建筑热性能的内涵
• 1.1.3 黄、渤海沿岸气候特点及其对建筑的影响
• 1.2 集热蓄热墙式被动太阳能建筑热性能研究现状
• 1.2.1 建筑集热性能
• 1.2.2 建筑蓄热性能
• 1.2.3 建筑室内热环境
• 1.3 研究方法的比较分析
• 1.3.1 原型实验方法
• 1.3.2 模型实验方法
• 1.3.3 基于能量平衡的传热分析方法
• 1.3.4 基于计算流体力学的数值仿真方法
• 1.4 目前存在的科学技术问题
• 1.5 本文主要工作
• 2 黄、渤海沿岸被动式太阳能建筑全年热环境控制措施的改进
• 2.1 既有集热蓄热墙式被动太阳能建筑的气候不适应性分析
• 2.2 黄、渤海沿岸被动式太阳能建筑热环境控制改进措施的提出
• 2.3 被动式太阳能建筑热环境控制改进措施效果的实验验证
• 2.3.1 实验设计
• 2.3.2 卷帘与温控风门联合调节对冬季保温的作用
• 2.3.3 遮阳与通风调节对夏季降温的作用
• 2.4 本章小结
• 3 黄、渤海沿岸改进型被动式太阳能建筑热过程的实验研究
• 3.1 被动式采暖系统的热力响应
• 3.1.1 实验运行控制
• 3.1.2 室内空气温度影响因素分析
• 3.1.3 围护结构热响应
• 3.1.4 空气温度日变化
• 3.1.5 空气热循环特性
• 3.2 被动式降温系统的热力响应
• 3.2.1 实验运行控制
• 3.2.2 被动式降温性能影响因素分析
• 3.2.3 围护结构热响应
• 3.2.4 室内空气温度分布
• 3.2.5 被动通风过程分析
• 3.3 本章小结
• 4 改进型被动式太阳能建筑全年动态热过程的数学模型
• 4.1 全年运行工况及建筑热过程分析
• 4.2 模型建立的假设条件
• 4.3 动态热容热阻网络模型的建立
• 4.4 被动式采暖系统热过程数学模型的建立及求解
• 4.4.1 空气热循环工况的计算模型
• 4.4.2 卷帘保温工况的计算模型
• 4.4.3 模型求解及验证
• 4.5 被动式降温系统数学模型的建立及求解
• 4.5.1 卷帘遮阳工况的计算模型
• 4.5.2 无卷帘遮阳工况的计算模型
• 4.5.3 模型求解及验证
• 4.6 本章小结
• 5 黄、渤海沿岸集热蓄热墙式被动太阳能建筑热性能的模拟分析
• 5.1 计算条件
• 5.1.1 建筑模型
• 5.1.2 室外气象参数
• 5.2 集热性能分析
• 5.2.1 空气夹层厚度与风口面积不同组合的影响
• 5.2.2 集热蓄热墙体宽高比的影响
• 5.2.3 集热蓄热墙体高度的影响
• 5.3 蓄热（冷）性能分析
• 5.4 保温隔热性能分析
• 5.4.1 保温性能分析
• 5.4.2 隔热性能分析
• 5.5 与同纬度内陆地区改进型被动式太阳能建筑热性能的比较
• 5.5.1 气候条件的比较
• 5.5.2 冬季卷帘与温控风门联合调节保温性能的比较
• 5.5.3 夏季遮阳与通风调节降温性能的比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 附录A 基于频域回归方法的围护结构非稳态传热计算
• 附录B 空气夹层内自然对流换热的计算
• B1 侧面开口竖直夹层内空气自然对流换热
• B2 封闭夹层内的自然对流换热
• 附录C 太阳辐射得热量计算
• 附录D 实验数据
• 附录E 主要符号表