多种太阳能新技术在示范建筑中的应用研究

【摘要】：太阳能建筑可以有效的降低常规能源的消耗,目前世界各国,特别是发达国家都对太阳能建筑的技术开发以及应用给予了极大的关注。我国在太阳能技术与建筑结合领域中,太阳能热水应用广泛,但对于太阳能采暖和制冷空调的应用还处在研究示范阶段。并且关于太阳能建筑仍然没有达成相对一致的共识,没有形成全面利用能源的理念,建筑的美学和太阳能功能之间仍然存在冲突。为进一步研究并推广太阳能技术与建筑一体化,探索太阳能技术与建筑的最优化的结合形式,提高太阳能系统在建筑上的性能表现,同时发挥示范作用,本文介绍了在中国科学技术大学校园建造的一栋太阳能示范建筑,作为太阳能技术与建筑一体化研究的实验平台。示范建筑整合了太阳能光热技术建筑一体化、太阳能光伏建筑一体化以及太阳能光伏光热技术建筑一体化等设计理念,共采用了太阳能主、被动采暖系统,太阳能光伏光热综合利用系统、太阳能制冷系统和太阳能热水系统等多种太阳能新技术为建筑提供采暖、制冷空调、生活热水以及发电等建筑能耗所需能源。本文对建造太阳能示范建筑的设计理念和系统运行策略进行了详细介绍,并对太阳能系统应用于示范建筑的性能表现进行了实验研究以及系统模拟预测。主要内容包括如下： 1.为解决示范建筑南北房间温差较大的问题,同时改善建筑室内采暖热舒适性,提出太阳能被动采暖系统对南向房间供暖,使用主动采暖系统对北向房间供暖的供暖策略,对太阳能主、被动双效集热器阵列构成的太阳能主、被动采暖系统不同供暖策略进行了对比试验研究。实验结果显示太阳能主动式双效集热器阵列构成的主动采暖系统为建筑采暖的加热功率可以达到16.0kW,集热效率在50%以上,电性能COP为21.6。使用优化供暖策略,无论根据PMV计算还是在垂直空气温度分层对热舒适性影响方面,房间热舒适性均在ASHRAE-Standard-55规定的接受范围内。本文还对太阳能主、被动双效集热器集热水性能独立运行和联合运行进行了实验研究,研究集热器阵列在不同集热面积,不同流量的条件下,对系统热效率的影响。 2.利用TRNSYS模拟平台,构建太阳能主、被动采暖系统模型,并通过实验获得数据与系统模型进行验证,证明了系统模型的可行性与准确性。通过系统模型,预测太阳能主、被动采暖系统对示范建筑在合肥地区冬季采暖的太阳能保证率,预测结果为39.5%。通过模拟研究了太阳能主、被动采暖系统对示范建筑冬季采暖在不同地域环境、不同气象条件下的太阳能保证率,结果显示拉萨地区,由于丰富的太阳辐射资源,太阳能保证率达到76.0%。通过比较得到,环境温度和太阳辐照强度是太阳能主、被动采暖系统对示范建筑冬季采暖的太阳能保证率的主要影响因素。 3.为更好的配合太阳能吸收式制冷系统,提高制冷机运行性能,以及改善热舒适性,在太阳能吸收式制冷系统中,设计了采用毛细管辐射制冷末端与太阳能吸收式制冷系统结合的系统方案。设计了温湿度独立处理的供冷策略,提出冷冻水实现梯级利用的运行策略,通过比例调节阀控制混合水温度作为室内毛细管席进水温度,可以有效防止室内毛细管席结露问题出现。通过实验研究获得,在非额定工况运行下(热水进口温度80.0℃)太阳能吸收制冷系统制冷量达到16.5kW,平均COP为0.6,电性能COP为2.7。通过房间热舒适性研究获得,南北房间热舒适度和房间内空气温度分层对热舒适性的影响也在可接受范围内。通过实验所获得太阳能制冷性能参数,借助TRNSYS模拟平台,建立太阳能制冷系统模型,通过模拟预测获得太阳能制冷系统对示范建筑在合肥夏季空调负荷的太阳能贡献率可以达到50.1%。 4.对示范建筑太阳能光伏光热综合利用系统进行了实验研究。实验结果获得光伏特朗勃墙光伏发电平均效率在12.6%,光伏热水模块系统发电平均效率在10.0%左右,系统集热水特征热效率为25.0%,系统热损系数为0.08MJ/m2。通过实验获得太阳能光伏系统性能参数,借助TRNSYS模拟平台,建立了系统模型,预测了示范建筑光伏系统全年运行的发电性能可以达到3885.0KWh。 【关键词】：太阳能建筑一体化 采暖 制冷 光伏发电 TRNSYS
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU18
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-15
• 第1章 绪论15-40
• 1.1 世界能源形势15-17
• 1.2 中国能源形势17-21
• 1.2.1 中国能源特点17-19
• 1.2.2 可再生能源-太阳能19
• 1.2.3 建筑能耗19-21
• 1.3 太阳能利用技术21-33
• 1.3.1 太阳能利用发展历史21-22
• 1.3.2 太阳能应用技术分类22
• 1.3.3 太阳能光热应用22-23
• 1.3.4 太阳能热水23-25
• 1.3.5 太阳能采暖25-29
• 1.3.6 太阳能制冷29-32
• 1.3.7 太阳能光伏应用32-33
• 1.4 太阳能建筑33-39
• 1.4.1 太阳能建筑一体化33-34
• 1.4.2 太阳能建筑发展34-36
• 1.4.3 太阳能建筑热性能和经济性评价指标36-37
• 1.4.4 太阳能建筑研究现状37-39
• 1.5 本文主要内容39-40
• 第2章 太阳能示范建筑40-66
• 2.1 引言40
• 2.2 太阳能建筑主体结构框架40-43
• 2.2.1 示范建筑概况40-41
• 2.2.2 太阳能示范建筑主体结构41-42
• 2.2.3 太阳能示范建筑围护结构42-43
• 2.3 太阳能技术与建筑一体化43-45
• 2.3.1 太阳能示范建筑设计理念43
• 2.3.2 太阳能集热器与建筑结合方式43-44
• 2.3.3 太阳能示范建筑创新点44-45
• 2.4 应用于示范建筑的太阳能技术介绍45-57
• 2.4.1 太阳能示范建筑采暖方案45-52
• 2.4.2 太阳能制冷空调系统52
• 2.4.3 太阳能热水系统52-55
• 2.4.4 太阳能光伏发电系统55-57
• 2.5 太阳能示范建筑系统运行策略57-59
• 2.5.1 夏季运行策略57-58
• 2.5.2 冬季运行策略58-59
• 2.5.3 过渡季节运行策略59
• 2.6 太阳能示范建筑监测实验平台59-65
• 2.6.1 温、湿度测量装置59-62
• 2.6.2 太阳能辐射测量装置62
• 2.6.3 风速测量装置62-63
• 2.6.4 水路系统流量测试装置63-64
• 2.6.5 数据采集系统64-65
• 2.7 本章小结65-66
• 第3章 太阳能主、被动式双效集热器系统采暖与集热水实验研究66-92
• 3.1 引言66
• 3.2 太阳能主、被动采暖实验监测平台介绍66-69
• 3.3 系统性能评价方法69-70
• 3.4 太阳能主、被动采暖系统不同运行策略实验研究70-78
• 3.4.1 策略A实验结果71-74
• 3.4.2 策略B实验结果74-75
• 3.4.3 策略C实验结果75-77
• 3.4.4 三种策略实验结果对比分析77-78
• 3.5 室内热环境舒适度分析78-82
• 3.5.1 PMV计算78-79
• 3.5.2 室内垂直空气温度分层对舒适度影响79-80
• 3.5.3 房间热舒适度分析80-82
• 3.6 太阳能主、被动双效集热器采暖系统在非采暖季节集热水实验82-90
• 3.6.1 太阳能主动式双效集热器阵列集热水实验83-87
• 3.6.2 太阳能被动式双效集热器阵列集热水实验87-88
• 3.6.3 太阳能主、被动式双效集热器阵列联合运行实验88-90
• 3.7 误差分析90-91
• 3.8 本章小结91-92
• 第4章 太阳能制冷系统实验研究92-112
• 4.1 引言92
• 4.2 实验监测平台92-102
• 4.2.1 太阳能真空管集热器93-94
• 4.2.2 单效溴化锂吸收式制冷机94-98
• 4.2.3 毛细管辐射制冷末端98-102
• 4.3 太阳能制冷系统性能评价102-103
• 4.4 太阳能制冷实验结果与分析103-110
• 4.4.1 太阳能吸收式制冷系统性能104-105
• 4.4.2 毛细管辐射制冷末端运行性能105-107
• 4.4.3 室内热舒适性分析107-110
• 4.5 误差分析110
• 4.6 本章小结110-112
• 第5章 太阳能光伏光热综合利用系统实验研究112-118
• 5.1 引言112
• 5.2 光伏TROMBE墙实验研究112-115
• 5.2.1 太阳能辐射强度和电池背板温度对光伏发电的影响113-114
• 5.2.2 不同月份光伏发电性能的变化114
• 5.2.3 光伏特朗勃墙采暖性能研究114-115
• 5.3 太阳能光伏热水模块实验研究115-117
• 5.3.1 光伏热水模块发电性能实验研究115-116
• 5.3.2 光伏热水系统集热水实验116-117
• 5.4 本章小结117-118
• 第6章 太阳能示范建筑模拟预测研究118-137
• 6.1 引言118
• 6.2 TRNSYS118-120
• 6.2.1 软件简介118-119
• 6.2.2 TRNSYS组件库119-120
• 6.3 系统计算模块120-124
• 6.3.1 示范建筑模块120-121
• 6.3.2 太阳能组件计算模块121-123
• 6.3.3 气象模块123-124
• 6.4 太阳能主被、动采暖系统应用于示范建筑模拟124-132
• 6.4.1 太阳能主、被动采暖系统模拟124-125
• 6.4.2 太阳能主、被动采暖系统模拟与实验验证125-128
• 6.4.3 在合肥地区主、被动采暖系统采暖季节模拟预测128-130
• 6.4.4 太阳能示范建筑在不同地区采暖季节太阳能保证率130-132
• 6.5 合肥地区示范建筑制冷、发电的太阳能贡献预测132-135
• 6.5.1 示范建筑制冷空调的太阳能贡献预测132-134
• 6.5.2 示范建筑光伏系统合肥地区全年发电预测134-135
• 6.6 本章小结135-137
• 第7章 全文总结及工作展望137-140
• 7.1 本文主要工作137-138
• 7.2 工作展望138-140
• 参考文献140-148
• 附录 图表清单148-153
• 致谢153-154
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果154

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