太阳能建筑相变储能墙体适宜性分析及优化设计

发布时间：2020-07-15 06:56

【摘要】：我国西部地区具有丰富的太阳能,采用被动式手段因地制宜地建造太阳能采暖建筑,可以降低建筑的采暖能耗。然而,受太阳能的不稳定性和间断性特点的影响,被动式太阳能建筑的室内空气温度波动较为明显,室内温度往往无法满足人体热舒适的要求。通过围护结构进行热量储存,能够使被动式太阳能建筑的热性能得到提升。为此,本文将被动式太阳能建筑与相变储能墙体相结合,通过相变材料的蓄热特性解决太阳能的间歇供应与建筑采暖负荷在时间和需求量方面的矛盾。本文通过对既有太阳能建筑进行实地调研与测试,针对乡村太阳能建筑室内温度波动幅度大、热环境稳定性差等问题,提出了将相变储能墙体与太阳能建筑结合应用的研究构思。基于相变传热特性分析,建立相变储能墙体模型并进行热工评价。进而建立相变储能被动式太阳能乡村采暖建筑传热理论模型,从室内热舒适度角度出发,考虑相变材料的相变温度、导热系数、潜热值、建筑模型参数及用量等因素的影响,对相变储能被动式太阳能乡村采暖建筑的应用效果进行分析。最后,通过热渗透原理进行相变材料层厚度的设计,并对优化设计后的房间进行热舒适评价。本文的主要成果如下:(1)通过对拉萨地区某民居进行热环境现状的测试发现,该地区太阳辐射强度较高,对室内热环境的贡献较大,但当前仍然存在室内空气温度波动较大的问题,提出将被动式太阳能建筑与相变储能墙体结合应用的构想。并指出,对于结合相变储能墙体的太阳能建筑,其室内热舒适度的改善效果应从客观环境及人体热舒适需求的角度综合考虑,最终确定相变储能墙体应用效果评价指标为室内空气温度波动及“日室内温度不舒适度时数”。(2)基于被动式太阳能乡村采暖建筑的特点,确定了具有代表性的建筑模型,并基于此模型,采用傅氏级数表达方法对建筑在内外双侧热扰耦合下的内表面温度进行了相应的表达。从室内侧波动热扰变化可以看出,设置相变材料层于墙体内侧,可使相变材料更好地发挥对室内空气温度波动的平抑作用。(3)通过对相变材料的热物性参数进行优化发现,当相变温度过高或过低,均不利于材料性能的发挥。导热系数在材料放热阶段对室温影响不大,在吸热阶段对室温影响较为显著。在拉萨地区气候条件下,为使所选相变材料在墙体中的使用达到较好的效果,建议建筑长宽比为1.4:1。(4)通过计算得到不同朝向墙体的热渗透深度:南墙热渗透深度为39mm,东墙的热渗透深度为35mm,北墙与西墙的热渗透深度为34mm。优化前的室内温度波动范围为10.9℃～26.5℃,优化后的室内温度波动范围为14.5℃～24.3℃,通过优化使室内温度波动明显受到抑制,且日室内温度不舒适度减小了63.0%。通过本文的研究,以期对相变材料在围护结构中的应用与优化提供有益的理论参考。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU18
【图文】：

分布图,中国科协,新华网,资料来源

我国太阳能资源分布图（资料来源：中国科协新Fig.2-1 National solar resources division的惯用表述，太阳能建筑有主动式和被动式的缺点主要有投资大，设备利用率低，技术要借助外部能源进行一定的支撑。然而与之方便、构造简单等多方面优点，具有明显的公用建筑的设计时，建筑主要采用被动式设筑地域适应性气候分区与集热方式差异性较大，在建造被动式太阳能建筑前应状况，并考虑建筑的类型与用途、当地的资[52]。一般情况下，被动式太阳能采暖建筑垂直布置，故选择南向辐射温差比（ITR ）指标，可将被动式太阳能采暖气候分区划分

气候区划,中国建筑,来源,文献

图 2-2 中国建筑气候区划图（来源：文献[56]）2-2 China's building climate zoning (Source: Literatur 可以发现，被动式太阳能建筑最佳及适宜气建筑的保温系统应达到设计的基本要求。同二类地区，我国西藏地区和西北地区属于该暖奠定了基础，本文选取拉萨地区与银川地筑热环境测试与分析人类文明的发展，为了抵御自然环境恶劣的断发展的。室内热环境又称室内气候，主要环境与外部气候环境之间有紧密的联系，因对当地的气候特征进行了解具有至关重要的人们的生活水平日益提高，为了提高太阳能对不同气候条件下的各类建筑进行实地测试而针对存在的问题寻求符合实际要求的合理相关因素的考虑，于 2016 年 12 月对西藏拉

建筑立面图

而导致建筑能耗的增长成为能耗的主要增长点。随着城镇化的发展，在西藏发展和利用太阳能，可以促进能源短缺问题的解决，也可以推动生态环境保护这一薄弱环节的不断更新与进步[59]。与此同时，与生物质能源相比，太阳能资源的清洁度较高，因此，在西藏拉萨地区大力推广被动式太阳能建筑是实现可持续发展的有效途径之一，同时也可改善建筑室内热环境，提高居民热舒适度。2.2.2 测试对象测试建筑选址于西藏拉萨市西藏大学，选取某四层砌体结构的教师公寓作为测试对象，该建筑坐北朝南。从室内空间的设置可以看出，建筑设计者在考虑了利用太阳能，将主要使用房间（主卧、客厅等）布置在南向，并在南向设置附加阳光间，将辅助使用房间（次卧、厨房等）布置在北向。客厅尺寸为 3.9m×3.6m，主卧尺寸为 3.0m×4.84m，南次卧尺寸为 2.6m×3.6m，北次卧尺寸为 2.5m×3.78m，各房间室内净高 3.0m，外墙为340mm 厚的混凝土实心砌块，内隔墙为 240mm 厚的混凝土实心砌块，屋顶为 200 厚的钢筋混凝土板，无保温层，餐厅与厨房之间的隔断采用铝合金门，窗户采用单玻铝合金窗，室内无辅助热源。被测建筑立面图见图 2-3。

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