太阳能建筑负荷一体化研究

【摘要】：随着工业技术的发展，能源危机以及传统化石燃料燃烧带来的环境问题变得日益严峻，广泛推广太阳能资源利用技术是缓解资源需求和能源短缺现状之间矛盾的有效方法。但是目前太阳能建筑一体化在实际应用中存在较大问题，主要表现在太阳能设备与建筑外在结构上的不协调以及热能和电力负荷需求上的不匹配。 本文针对太阳能建筑负荷一体化进行研究。首先从建筑的负荷需求出发，对一栋被动式太阳房的实际运行效果进行了实测，并根据该被动式太阳房在能耗模拟软件TRNSYS中建立基础模型，通过测试数据与模拟结果的对比验证了模型的准确性。后续的研究在基础模型中展开，主要包括被动式太阳房的优化设计和主动式太阳能系统的优化控制。 在被动式太阳房负荷优化设计方面，本文选择与建筑结构有关的四个因素即建筑朝向、墙体材料、南向窗墙比和体型系数进行研究，得到各因素在被动式太阳房中的优化设计原则。此外，通过设计正交试验分析了上述四个因素对建筑能耗和室内舒适性指标影响显著性程度的大小，从而为被动式太阳房的负荷需求优化设计以及节能与舒适性改造提供参考。 在主动式太阳能与负荷匹配控制方面，本文首先分析了建筑中生活热水负荷、采暖负荷以及电力负荷需求的特性，针对太阳能生活热水和太阳能采暖这两种主要的主动式太阳能利用形式，分别设计了太阳能生活热水系统、平板集热器与地板辐射采暖组合系统以及真空管集热器和普通散热器采暖组合系统，选择合理的运行控制策略并在TRNSYS中构建系统模型，对太阳能系统与建筑负荷的一体化控制方式和运行效果进行分析和评价。 研究结果表明，通过对上述四个结构因素的优化可以在设计阶段较大幅度减小太阳房的被动负荷需求。此外，方差分析的结果表明，无论是从建筑能耗需求的角度还是从舒适性的角度出发，南向窗墙比和建筑朝向都是影响最大的两个因素。对不同主动式太阳能系统的逐时模拟结果表明，集热系统的温差控制方式能够在不影响建筑使用功能的前提下，能够最大限度的节约系统运行能耗和减小系统损耗，是一种实现太阳能建筑负荷一体化的有效控制方式。 【关键词】：太阳能 负荷一体化 被动设计 主动控制
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU18
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 太阳能资源介绍10-12
• 1.2.1 太阳能资源特点10-11
• 1.2.2 太阳能利用与存在的问题11-12
• 1.3 太阳能建筑负荷一体化研究现状12-17
• 1.3.1 被动式负荷优化设计研究现状12-14
• 1.3.2 主动式利用和运行控制研究现状14-17
• 1.4 研究内容和技术路线17-19
• 第二章 理论分析和基础模型的建立19-28
• 2.1 理论分析19-22
• 2.1.1 TRNSYS 对建筑模块的处理19-20
• 2.1.2 Reindl 模型对太阳辐射的处理20
• 2.1.3 考虑风压的自然通风模型20-21
• 2.1.4 非线性规划研究方法的工程应用21-22
• 2.2 基础模型的建立22-26
• 2.2.1 被动式太阳房描述22-24
• 2.2.2 基础模型室内逐时温度分布24-26
• 2.3 太阳房实测与模拟结果的验证26-27
• 2.3.1 模拟与测试值的直观比较26
• 2.3.2 Bland-Altman 验证26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 被动式太阳房优化设计28-48
• 3.1 评价指标28-30
• 3.1.1 舒适小时数28-29
• 3.1.2 太阳房不舒适指标29-30
• 3.1.3 逐时过热度与过冷度30
• 3.2 不同地区建筑的最佳朝向30-34
• 3.2.1 资源丰富区建筑最佳朝向分析30-32
• 3.2.2 其他资源区建筑最佳朝向分析32-34
• 3.3 墙体材料蓄热性能的影响34-38
• 3.3.1 蓄热性能对室内各指标的影响34-36
• 3.3.2 不同墙体室内温度的对比36-38
• 3.4 南向窗墙比的影响38-40
• 3.4.1 南向窗墙比对建筑能耗的影响38-39
• 3.4.2 南向窗墙比对室内环境的影响39-40
• 3.5 建筑体型系数的影响40-43
• 3.5.1 体型系数对建筑能耗的影响41-42
• 3.5.2 体型系数对室内环境的影响42-43
• 3.6 不同因素影响显著性分析43-47
• 3.6.1 拟水平法正交试验设计43-45
• 3.6.2 实验结果的方差分析45-47
• 3.7 本章小结47-48
• 第四章 主动式太阳能利用优化控制48-71
• 4.1 负荷特性分析48-53
• 4.1.1 生活热水负荷48-49
• 4.1.2 采暖设计负荷与采暖部分负荷49-52
• 4.1.3 生活热水负荷与采暖负荷的对比52-53
• 4.2 太阳能生活热水系统53-58
• 4.2.1 太阳能生活热水系统设计53-56
• 4.2.2 太阳能生活热水系统模拟56-58
• 4.3 太阳能采暖系统58-70
• 4.3.1 地板辐射采暖系统设计58-62
• 4.3.2 地板辐射采暖系统模拟62-65
• 4.3.3 普通散热器采暖系统设计65-67
• 4.3.4 普通散热器采暖系统模拟67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 基于面积的一体化非线性规划研究71-79
• 5.1 最优化研究的基础71-75
• 5.1.1 被动式太阳能收益与南窗面积71-72
• 5.1.2 主动式太阳能收益与布置面积72-75
• 5.2 基于面积的非线性规划研究75-77
• 5.2.1 运行阶段最优化75-76
• 5.2.2 全生命周期最优化76-77
• 5.3 本章小结77-79
• 第六章 结论及展望79-82
• 6.1 结论79-80
• 6.2 下一步工作与展望80-82
• 参考文献82-86
• 发表论文和参加科研情况说明86-87
• 附录 187-89
• 附录 289-93
• 致谢93

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