集热蓄热墙式太阳能建筑冬季热性能的模拟研究

摘要

建筑能耗的增加一方面加重了的能源紧张的状况，另一方面增加了温室气体排放量，危害我们赖以生存的自然环境。通过计算得到，1999年我国住宅中主要能源(包括生活电力消耗、城镇集中供热和农村生活能源)消耗的CO2排放量达1032.57百万吨，占全国总排放量的34.3％。集热蓄热墙体作为一种充分利用太阳能采暖降温通风的建筑围护结构形式，因地制宜的广泛应用具有重要的价值和意义。 本文建立并验证了集热蓄热墙系统稳态传热的数值计算模型，并对影响集热蓄热墙系统热性能的各种因素进行了数值模拟。研究发现，集热蓄热墙外表面附加吸热涂层可以显著提高系统热性能，但是提高吸热涂层的吸收率与发射率之比，并不意味着室内总得热量一定显著提高；空气间层高度的增加使系统得热量显著增加；风口高度与空气间层厚度存在最佳的组合达到系统的最优化；比较了不同集热蓄热墙体结构的热性能，发现耦合传热的墙体形式在白天的得热量最大；计算了空气间层内空气温度和重质墙体外表面温度随高度方向的变化，并得到拟和曲线方程(分别为指数增长方程和抛物线方程)；发现在简化计算时，重质墙体外表面等壁温的假定与真实情况相差很大，等热流密度的简化边界条件较合适；沿着重质墙体外表面对流换热系数变化不大；由于上风口存在回流现象，出口截面的温度、速度分布非常不均匀，实验测量时应采取有选择性的多点测量。 本研究还将集热蓄热墙系统归入整个建筑系统进行考虑，采用能量模拟的方法对集热蓄热墙系统中各种形式的非稳态传热和一个采暖季的室内负荷变化进行了模拟研究，模拟采用沈阳地区标准年气象数据。模拟结果显示，集热蓄热墙可以显著的增加室内得热。在沈阳地区采用理想辅助热源维持太阳房室温18℃时太阳房采暖季每日的采暖负荷都比对比房小，整个采暖季室内平均负荷减小了24.4％。模拟发现，集热蓄热墙的重质墙体具有采暖负荷平均化的作用，但它对于冬季采暖总负荷和无辅助热源时的室内日平均温度影响较小。在重质墙体外表面粘贴集热板和改进玻璃盖板性能可以显著提高室内温度，增加室内得热。室内负荷的动态模拟结果为被动式太阳能建筑的辅助能源运行方案、设备选择提供依据。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明和大连理工大学学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1研究背景

1.1.1建筑中能源消耗及带来的温室气体排放问题

1.1.2集热蓄热墙体的应用

1.2研究现状

1.2.1数学模型的建立及预测结果

1.2.2空气间层内对流换热的研究

1.2.3集热蓄热墙性能参数研究

1.2.4辅助热源控制问题

1.3研究意义

1.4本课题研究内容和方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

2集热蓄热墙系统传热过程分析

2.1空气间层内的自然对流

2.2传热过程的数学描述及影响因素

2.2.1传热过程的热平衡方程

2.2.2影响因素分析

2.3本章小结

3集热蓄热墙系统的数值模拟模型

3.1湍流模型

3.1.1湍流

3.1.2湍流控制方程

3.1.3湍流粘性系数法

3.1.4各种湍流模型

3.2近壁区流动模拟

3.2.1近壁区流动的特点

3.2.2壁面函数法与近壁模型法

3.2.3双层区模型

3.3网格划分

3.4热辐射模型

3.5太阳辐射模型

3.5.1 Fluent中的太阳负荷模型

3.5.2各种辐照度的计算

3.6 Boussinesq近似

3.7收敛的判断

3.7.1残差

3.7.2收敛判据

3.8空气间层内自然对流数值模型的验证

3.8.1实验概要

3.8.2模拟采用的模型和参数

3.8.3实验验证

3.9本章小结

4集热蓄热墙系统热性能的数值模拟研究

4.1模型简化与模拟条件

4.2模拟结果分析

4.2.1涂层性能对系统热性能的影响

4.2.2系统几何尺寸对热性能的影响

4.2.3不同墙体结构热性能对比分析

4.2.4空气间层内的流动传热特征分析

4.3本章小结

5无内风口集热蓄热墙式太阳能建筑的能量模拟研究

5.1能量模拟原理

5.2 EnergyPlus软件在本研究中的应用

5.3模拟准确性与传热模型验证

5.4物理模型与模拟条件

5.4.1物理模型

5.4.2模拟条件

5.5模拟结果分析

5.5.1无辅助热源时太阳房与对比房的热性能

5.5.2太阳能建筑与普通外保温建筑能耗对比分析

5.5.3集热蓄热墙热性能影响因素分析

5.6本章小结

结 论

参考文献

附录A被动式太阳房性能预测早期的数学方法和模型

附录B围护结构非稳定传热分析计算方法

附录C计算反应系数、CTF系数的方法

附录D集热蓄热墙系统热性能的数值模拟结果

附录E无内风口集热蓄热墙式太阳能建筑实验研究

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢