主动式太阳能建筑室内热性能的研究及其模拟软件的开发

【摘要】：鉴于建筑能耗在我国总的能耗中的较大比重,当前降低建筑能耗相对降低社会总能耗、实现可持续发展战略至关重要。主动式太阳能采暖系统相比于被动式太阳能采暖,其供热工况更加稳定,随着经济和社会的发展,主动式太阳能采暖开始大规模应用。为保证室内热环境的稳定和舒适,辅助热源量的配置是很重要的,而保证辅助热源合理配置的前提是要有随自然气候条件下变化的动态室温及负荷的准确信息。目前我国在太阳能建筑能耗计算方面仍多采用稳态计算方法,动态计算在多数场合尚未达到实用阶段,另外国内的室内热性能相关计算软件大多面向普通建筑系统,不适用于太阳能建筑室内热工的计算。因此,本研究通过实测及理论计算对主动式太阳能建筑的动态室温、负荷及辅助热源量进行了深入的理论研究。 本研究建立了可预测太阳能建筑室温及负荷的计算模型,借助Visual Basic可视化编程语言编写了模拟程序,并用实验数据验证了该模型的准确性。利用此模型程序对典型房型地板吸收的太阳辐射量、建筑动态室温及负荷进行模拟计算。同时,本研究还从太阳能建筑自身具有节能和环保等特点的角度编制了适用于太阳能建筑的室内热工模拟软件,如程序里采用了地板辐射的供暖形式并考虑了楼板混凝土附面层吸收的太阳辐射量。软件可以对不同地点、不同时间和不同房型的热工参数进行计算,具有广泛性；采用数据库的形式,具有开放性；结果有可靠性且以图表的形式输出,具有直观性。 通过软件与实测分析得到：在晴好天气下,沈阳历年1月1日这一天在现有典型房间的窗墙比、现有允许太阳能集热面积和水箱容积的条件下,利用主动太阳能供热方式为室内供暖时,达不到设计室内温度为18℃的要求,需要提供辅助热源；太阳能地板辐射采暖供水系统在控制供水温度(控温)与供水温度逐时变化(非控温)运行条件下,所提供的热负荷均大于房间设计热负荷的50%,并且利用主动式太阳能地板辐射采暖时,结合规范与太阳能建筑的特点,控制供水温度为40℃的控温运行辅助热源量大于非控温运行下的辅助热源量；通过对沈阳地区采暖期在不同窗墙比下的楼板逐时吸收太阳辐射热量进行模拟计算,经统计计算得到采暖期平均逐时楼板吸收太阳辐射热量与窗墙比呈线性关系；本研究为太阳能建筑设计阶段的辅助热源量的提供参考依据,以便设计合理的辅助能源系统来解决太阳能建筑全天候的室内舒适性问题,为推动太阳能建筑的发展具有应用价值与重要的意义。针对外壁温换计算法,沈阳地区太阳辐射对冷负荷的影响远大于排除辐射影响因素、仅考虑室内外温差(理想温差传热)作用的影响,白天由太阳辐射作用引起的冷负荷大约是排除辐射影响因素(理想状态)下冷负荷的3倍；在夜间,理想温差传热作用下的负荷几乎保持在一个常数,且个别情况出现了负值。 【关键词】：主动式太阳能建筑 室内热性能 软件开发
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU111.191;TU201.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景及目的与意义12-14
• 1.1.1 课题背景12-13
• 1.1.2 目的与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 国内研究现状14-16
• 1.2.2 国外研究现状16-18
• 1.3 本课题的主要内容和研究方法18-20
• 1.3.1 课题的主要内容18-19
• 1.3.2 研究思路及方法19-20
• 第二章 主动式太阳能建筑及软件简介20-24
• 2.1 主动式太阳能采暖系统20-21
• 2.1.1 主动式太阳能建筑的基本构造20-21
• 2.1.2 主动式太阳能采暖系统的特点21
• 2.2 可视化平台Visual Basic21-22
• 2.2.1 可视化平台Visual Basic21
• 2.2.2 VB数据库开发21-22
• 2.2.3 TeeChart控件22
• 2.3 ANSYS有限元及其参数化设计语言22-23
• 2.3.1 ANSYS简介22
• 2.3.2 APDL概述22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 太阳能建筑室内热工性能的实验研究24-36
• 3.1 外壁综合温度的实验研究24-27
• 3.1.1 实测对象与实测内容24-25
• 3.1.2 实测结果与外壁综合温度的拟合25-27
• 3.2 太阳能采暖建筑室内热工性能的实验研究27-33
• 3.2.1 实验方案27-28
• 3.2.2 实验仪器28-29
• 3.2.3 实验内容及方法29-30
• 3.2.4 测试结果与结果分析30-33
• 3.3 本章小结33-36
• 第四章 太阳能建筑室内热工性能模拟软件开发36-58
• 4.1 负荷模拟计算模块的开发37-41
• 4.1.1 外壁温换热计算法的数学模型的建立37
• 4.1.2 负荷计算的数学模型的建立37-38
• 4.1.3 负荷模拟计算模块的开发38-40
• 4.1.4 负荷实测值与模拟值的比较40-41
• 4.2 自然温度计算模块的开发41-44
• 4.2.1 数学模型的建立41-42
• 4.2.2 室内自然温度计算模块的开发42-43
• 4.2.3 室内自然温度实测值与模拟值的比较43-44
• 4.3 配置辅助热源的室内空气平均温度模拟计算模块的开发44-53
• 4.3.1 地板传热模型的建立44-47
• 4.3.2 平均温度模拟计算数学模型的建立47-48
• 4.3.3 室内平均温度模拟计算模块的开发48-52
• 4.3.4 室内空气平均温度实测值与模拟值的比较52-53
• 4.4 地板表面光斑动态变化模拟模块的开发53-57
• 4.4.1 光斑面积数学模型的建立53-55
• 4.4.2 楼板吸收的直接太阳辐射得热量数学模型55
• 4.4.3 光斑面积计算模块的开发55-56
• 4.4.4 光斑面积实测值与模拟值的比较56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 太阳能建筑室内热工性能模拟软件应用58-66
• 5.1 地板吸收的太阳辐射量对热环境的影响58-61
• 5.1.1 光斑面积逐日变化规律59
• 5.1.2 冬季采暖期光斑面积的计算59-60
• 5.1.3 地板附面层的直接太阳得热量的计算与分析60-61
• 5.2 负荷模拟计算模块的应用61-63
• 5.2.1 算例计算结果61
• 5.2.2 外壁温换热法与冷负荷系数法的结果对比与分析61-62
• 5.2.3 太阳辐射热对建筑室内逐时负荷的影响62
• 5.2.4 基于外壁温换热计算法下的外墙最佳窗墙比62-63
• 5.3 自然温度计算模块的应用63
• 5.4 配置辅助热源的室内空气平均温度计算模块的应用63-65
• 5.4.1 室内空气平均温度计算63-64
• 5.4.2 辅助热源量的计算64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 结论66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-70
• 附录70-78
• 作者简介78
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文78-80
• 致谢80

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