办公空间双玻复合半透明PV(光伏发电)通风窗热工及采光性能研究

摘要

窗体系统是建筑的重要构件之一，通过窗体系统散失的热量在建筑总体能耗量中占有相当大的比例，尤其在办公建筑等通常具有大面积玻璃表面的公共建筑当中。双玻复合半透明PV（光伏）通风窗可以为建筑带来巨大地节能潜力，不仅能够向室内提供新鲜空气以改善室内空气质量，同时通过光伏发电带来绿色无污染的电能，还能有效地提高光伏组件的发电效率。
　　 本文以评估双玻复合半透明PV（光伏发电）通风窗系统的整体性能为目标，在此基础上优化该通风窗系统的设计及运行条件，进而实现热环境和视觉环境的舒适性以及较高的节能效率，从而为居用者改善办公空间的工作环境。通过数字化模拟调查该双玻复合半透明PV（光伏发电）通风窗这一先进窗体系统的热工性能，最终使得其在典型办公空间中的应用得以优化，本文以一间位于山东济南的典型办公空间为例来阐释整个评估及优化过程。
　　 首先，对该双玻复合半透明PV（光伏发电）通风窗系统和所测办公空间的构造及尺寸规格进行了合理的确定及详细说明，包括所采用玻璃的光学性能参数和附加的太阳能电池的各项特征参数。在此基础之上，进行了详细的传热机制及过程研究，包括运用射线追踪技术进行的太阳能光学分析和稳定状态下的传热分析，以及之后通过计算得出的外层光伏发电玻璃和内层普通玻璃面层的吸热率。该双玻复合半透明PV（光伏）通风窗系统的热工性能（如流体动力和传热机制）的预测是运用计算流体力学软件(CFD)，通过对“斯托克斯方程即Navier-Stokesequation”的高精度求解计算实现的。同时，通过采用“采光系数计算方法”，ECOTECT的自然采光模拟功能实现了该新型窗体系统的采光性能研究及优化，并最终使其在办公空间中的应用达到最佳效果。
　　 运用参数化分析的的方法，对空腔宽度，进气口气流速度和半透明光伏发电玻璃的透射率等关键参数的变化对该窗体系统本身的热工性能的影响进行了调查。其中包括内外面层上的热通量计算值，预测的气流场及温度分布，外层光伏发电玻璃及内层普通玻璃的平均温度，风机功率和发电量及净供热能量需求。之后，得出拥有最大节能潜力和最佳热工性能的不同设计及运行条件的组合并加以推荐。但是，冬天和夏天所要达到的优化目的不同。在冬天，为了最大化热回收量在减少供热能量消耗中的贡献比例，并且获得最低的净供热能量需求，能满足室内正常工作时间内自然采光和通风要求的较低的外层光伏发电玻璃透射率和较低的进气口气流速度及0.02m的空腔宽度是被推荐的组合。在夏天，由于该新型窗体系统运行模式和所处的天气状况不同，光伏发电组件在发电过程中产生的热量不能被直接利用。为了获得最大的发电量，在满足自然采光需求的情况下，较低的外层光伏发电玻璃透射率是被推荐的选择。这是因为，当进气口气流速度超过0.8m/s（峰值）时，净发电量将会下降，因此，在满足特定空间通风需求的基础上，更接近0.8m/s的进气口气流速度是被推荐的选择。另外，0.02m的空腔宽度同样能使得该新型窗体系统性能较高。
　　 最后，当一2m高、1.2m宽的双玻复合半透明PV（光伏发电）通风窗运用到一间3m高、4.5m深、3m宽的位于济南的典型办公空间中时，通过采用“采光系数计算方法”，ECOTECT的自然采光模拟功能得出的模拟结果表明优化的外层光伏发电玻璃透射率为0.4-0.5。这一结果是根据以下标准分析推演得出的:在至少75％的被测常规占有的办公空间内若采光系数(DF)大于等于2％，则可以满足工作条件内的正常视觉需求，同时，人工照明可以不必开启。结合之前的建议以及对于这样规模的办公空间至少10L/s的通风需求，在冬天，0.6m/s的进气口气流速度是被推荐的选择。在这种情况下，在达到最低的净供热需求及基本通风需求的基础上，不论是对新鲜空气的需求还是整个办公空间温度的分布，或者工作面上的热舒适性都可以达到一个较舒适的水平。同时，在夏天，最优的进气口气流速度为1m/s，在满足室内基本通风需求的基础上，它可以提供最多的净发电量。另外，优化的空腔宽度在0.02m-0.04m的范围内。

目录

声明

摘要

术语

第1章 绪论

1．1 选题依据与论文的研究背景

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究背景

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．2．1 太阳能建筑一体化的发展状况

1．2．2 双玻复合半透明PV通风窗的研究现状

1．2．3 存在的问题

1．3 研究的目的

1．4 研究的主要内容

1．5 论文拟解决的关键问题和研究方法

1．6 本章小结

第2章 双玻复合半透明PV通风窗的工作原理及其性能影响因素

2．1 通风窗系统简介

2．2 通风窗系统的历史发展过程

2．2．1 通风窗系统的历史发展

2．2．2 传统通风窗的类型及工作原理

2．3 通风窗系统的发展现状及其技术

2．3．1 通风窗系统与光伏建筑一体化(BIPV)的结合

2．3．2 考虑自然采光的通风窗系统的设计

2．3．3 与其他先进技术的结合

2．4 双玻复合半透明PV通风窗的构造、工作原理及其主要性能影响因素

2．4．1 双玻复合半透明PV通风窗的构造

2．4．2 双玻复合半透明PV通风窗的工作原理

2．4．3 双玻复合半透明PV通风窗的主要性能影响因素

2．5 与双玻复合半透明PV通风窗性能评估相关的研究

2．5．1 模拟方法、经验及实验调查研究概要

2．5．2 与热工性能评估有关的研究

2．5．3 与自然采光评估有关的研究

2．6 本章小结

第3章 双玻复合半透明PV通风窗热工性能及采光性能的研究方法及模型建立

3．1 案例研究描述

3．1．1 窗体系统的尺寸及材料特性

3．1．2 在典型办公空间中的应用

3．1．3拟运行条件详述

3．2 传热机理的调查研究

3．2．1 太阳能光学分析

3．2．2 传热分析

3．3 为进行热工性能评估建立CFD模型

3．3．1 窗体系统本身的CFD模型建立及验证

3．3．2 配备有所研究窗体系统的典型办公空间的CFD模型建立

3．4 为进行自然采光性能评估建立ECOTECT模型

3．4．1 采光系数的方法

3．4．2 办公建筑室内照度要求及自然采光标准

3．4．3 配备有所研究窗体系统的典型办公空间的ECOTECT模型建立

3．5 本章小结

第4章 双玻复合半透明PV通风窗系统本身的热工性能研究

4．1 空腔宽度

4．1．1 内外层上的热通量计算值

4．1．2 预测的气流场及温度分布

4．1．3 空腔宽度变化对出风口温度的影响

4．1．4 空腔宽度变化对外层光伏发电玻璃及内层普通玻璃平均温度的影响

4．1．5 空腔宽度变化对风机功率及发电量的影响

4．1．6 空腔宽度变化对得热量的影响

4．2 进气口气流速度

4．2．1 内外层上的热通量计算值

4．2．2 预测的气流场及温度分布

4．2．3 进气口气流速度变化对出风口温度的影响

4．2．4 进气口气流速度变化对外层光伏发电玻璃及内层普通玻璃平均温度的影响

4．2．5 进气口气流速度变化对风机功率及发电量的影响

4．2．6 进气口气流速度变化对得热量的影响

4．3 半透明光伏发电玻璃的透射率

4．3．1 内外层上的热通量计算值

4．3．2 预测的气流场及温度分布

4．3．3 透射率变化对出风口温度的影响

4．3．4 透射率变化对外层光伏发电玻璃及内层普通玻璃平均温度的影响

4．3．5 透射率变化对风机功率及发电量的影响

4．3．6 透射率变化对得热量的影响

4．4 本章小结

第5章 双玻复合半透明PV通风窗系统应用于典型办公空间的采光性能及热工性能的优化整合

5．1 配备有半透明PV通风窗系统的典型办公空间的采光性能优化

5．1．1 采光性能模拟

5．1．2 半透明光伏发电玻璃透射率优化值的确定

5．2 配备有半透明PV通风窗系统的典型办公空间的热工性能优化

5．2．1 进气口气流速度优化值的确定

5．2．2 空腔宽度优化值的确定

5．3 本章小结

第6章 综述及展望

6．1 综述

6．1．1 不同性能影响因素对窗体系统本身热工性能的影响

6．1．2 不同季节状况下较好的设计及运行条件建议

6．2 展望

参考文献

附录

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况