带热回收的变频恒温恒湿空调在地下建筑中的应用研究
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摘 要
太阳能与建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合，太阳能装置成为
建筑围护结构的一部分，这样既充分的利用了太阳能资源，又有效的减少了建筑
的能耗。太阳能与建筑一体化以后，太阳能集热部件的工作环境与建筑围护结构
传热的边界条件均发生了显著变化，由于建筑围护结构的热容量通常很大，只有
采用集成动态的热分析模型才能正确的反映出一体化墙体整体的热特性。本文主
要目的是建立平板型太阳能与建筑一体化墙体（以下简称一体化墙体）动态热分
析模型，并对一体化墙体的热特性进行初步的研究。具体研究内容及结果如下：
（1）采用 FLUENT 软件对一体化墙体进行数值模拟，并搭建一体化墙体的测
试实验台，进行实验测试，对数值模拟结果进行验证。结果显示：FLUENT 数值
模型能够很好的反映一体化墙体的热性能，但模拟所消耗的时间较长，不适于进
行长周期（全年或者几个月）的模拟分析。
（2）建立了一体化墙体的复合动态热分析模型，采用“二维稳态+一维动态”
分析方法，以集热器的吸热板为分界面，吸热板的背部（与室内环境换热）采用
一维动态传热模型（反应系数法），而吸热板的前面（与大气环境进行换热）采用
二维稳态模型，以分界面的平均温度和热流为二者的边界条件和联系纽带进行求
解。该模型能够较为准确的反映出一体化墙体的热特性，但需要对分界面的温度
进行试算，且初始值的设定对计算稳定的时间具有很大的影响。
（3）采用状态空间法对一体化墙体进行建模分析：首先，将集热器的玻璃盖
板、吸热板和集热流体简化成3个温度均匀的空间节点；其次，将集热器背部保温
层和多层墙体组成的建筑结构划分为𝑛层，每层对应一个节点；最后，对每个节点
建立热平衡方程，进行积分求解。与FLUENT模拟结果对比，表明状态空间模型能
够准确的描述一体化墙体的动态热过程，且耗时大幅降低，可以用于长周期的模
拟计算。
（4）采用状态空间模型以及求解程序对一体化墙体在典型工况下的集热特性
和建筑传热特性进行研究。结果显示：1）一体化以后，集热器的热性能变化不大。
夏季一体化墙体中集热器的日总有效得热量略小于单独集热器，冬季略大于单独
集热器。2）一体化以后，建筑传热性能产生了巨大的变化。在晴天运行工况时，
一体化墙体相对于单独墙体，其传热量变化幅度较小，延迟时间较长。在夏季，
一体化墙体的日总得热量小于单独墙体；在过渡季节，一体化墙体的日总热损失
稍小于单独墙体；在冬季，一体化墙体的日总热损失远远小于单独墙体。3）夏季
辐照不足（集热器不运行）时，一体化墙体隔热性能相对于单独墙体有所提升，
但提升幅度较小。与典型夏季运行工况相比，辐照不足时一体化墙体的日总得热
量有小幅增加，热流波变化幅度增大将近一倍；4）冬季辐照不足（集热器不运行）
时，一体化墙体相对于单独墙体热损失显著减少，但与典型冬季运行工况相比，
其日总热损失增加 40%左右。5）对热惰性小的建筑材料与太阳能一体化以后，其
传热延迟和消减特性改变较为明显；而对热惰性大的建筑材料进行一体化，其传
热延迟和消减特性改变不明显。采用不同的建筑材料进行一体化，对集热特性变
化不大。
关键词：太阳能 建筑一体化 复合动态热分析模型 状态空间模型
热特性
ABSTRACT
The main purpose of this paper is to establish a dynamic thermal analysis model of
flat plate type solar walls, and study the thermal characteristics of the integrated solar
walls. First, conduct experimental testing and FLUENT numerical simulation to
analyze the thermal performance of the solar walls. Second, establish combined
dynamic thermal analysis model and state space model for the solar walls, and to
validate and improve the thermal analysis model. Finally, study the thermal
performance of the solar walls with the thermal analysis model. The specific research
work and results are as follows:
(1) The FLUENT software is adopted to simulate the behaviors of flat plate type
solar walls. Experimental testing and measurements were conducted for the solar walls,
and the simulation results were compared with the testing results. The results indicate
that the FLUENT numerical model can reflect the thermal performances of the solar
walls, however, the accuracy of the numerical model of the FLUENT is greatly
depended on the meshing quality and the influence of various factors such as computer
processing ability, and the FLUENT simulation takes long time and is not suitable for
simulation of long term performance .
(2) Establish a combined dynamic thermal analysis model for flat plate type solar
walls with the “two-dimensional steady model+ one-dimensional dynamic model”
method. The absorber plate of the collector is considered as interface, the back of the
absorber plate (which transfers heat with the indoor environment) employs a
one-dimensional dynamic heat transfer model ( which uses the response coefficient
method), the exterior surface of the absorber plate (which exchanges heat with the
atmosphere) employs a two-dimensional steady-state model. Links the two models by
the average temperature and heat flux of the interface which is taken as boundary
conditions of both sides. The model can accurately reflect the thermal performance of
the solar walls, but this method needs to iterate the temperature of the interface, and the
setting of the initial value has a great influence on the calculation time.
(3) Establish a state space analysis model of flat plate type solar walls. First,
collector's glass cover, the absorber plate and the collector fluid is simplified into 3
temperature node. Second, the collector back insulation layer and multilayer wall is
divided into n layers which corresponds to nodes. Finally, establish and solve heat
balance equation for each node. The state space method can quickly and accurately
simulate the performance of the solar walls and can be used for simulating long term
performance.
(4) Use the state space analysis model to simulate the solar collection performance
and heat transfer performance of building in the typical working conditions. The results
are as follows: 1) After the integration, the thermal performance of the collector
changed a little. In summer, daily total useful energy gain of the solar walls is slightly
smaller than a single collector; in winter, it is slightly larger than a single collector. 2)
After the integration, the heat transfer performance of building changes greatly. When
the collector is running, the amplitude of the heat flow acorss the solar walls is
relatively smooth than a single wall，and its delay time is longer. In summer, daily total
heat gain of the solar walls is less than a single wall; in winter, daily total heat loss of
the solar walls is much less than a single wall. 3) Results in summer under the
conditions of insufficient irradiation (collector does not run) showed that: the heat gains
cross the solar walls is smller than a single wall, but the differnce is small; 4) Results in
winter under the conditions of insufficient irradiation (collector does not run) showed
that the heat loss across the solar walls is still obviously lower than to a single wall. 5)
After the integration, the characteristic of heat transfer across walls of the building
material which has a small thermal inertia changes more obviously than the building
material which has a big thermal inertia. Using different materials in solar walls, their
performance of solar collection changed little.
Key Words: Solar wall, Building integration, combined dynamic
thermal analysis model, state space model, thermal
characteristics
目 录
中文摘要
ABSTRACT
绪论 .................................................................................................................... 1 第一章
1.1 课题的研究背景与意义........................................................................................ 1
1.2 太阳能建筑............................................................................................................ 2
1.2.1 被动式太阳能建筑 ....................................................................................... 2
1.2.2 主动式太阳能建筑 ....................................................................................... 3
1.2.3 零能建筑 ....................................................................................................... 4
1.3 太阳能与建筑一体化国内外研究现状................................................................ 4
1.3.1 国内外研究现状 ........................................................................................... 4
1.3.2 本课题的提出 ............................................................................................... 6
1.4 状态空间法研究现状............................................................................................ 7
1.5 本文主要研究内容................................................................................................ 7
FLUENT 模拟与实验验证 .............................................................................. 10 第二章
2.1 研究对象.............................................................................................................. 10
2.2 FLUENT 模拟 .......................................................................................................11
2.2.1 FLUENT 软件概述 ................................................................................... 12
2.2.2 FLUENT 求解技巧 .................................................................................... 13
2.2.3 一体化墙体 FLUENT 模型建立 ............................................................... 15
2.3 一体化墙体实验平台.......................................................................................... 16
2.3.1 一体化墙体实验装置的搭建 ..................................................................... 16
2.3.2 实验方法及测量参数 ................................................................................. 17
2.4 FLUENT 模拟与实验测试结果对比 .................................................................. 18
2.5 本章小结.............................................................................................................. 21
平板型太阳能与建筑一体化墙体复合动态模型及求解 .............................. 23 第三章
3.1 围护结构传热模型.............................................................................................. 23
3.2 平板型太阳能集热器的动态传热模型.............................................................. 24
3.2.1 集热器不运行时热性能分析模型 ............................................................. 24
3.2.2 集热器动态运行时热性能分析模型 ......................................................... 26
3.3 复合动态模型求解.............................................................................................. 27
3.4 各部件换热系数的计算方法.............................................................................. 29
3.5 一体化墙体复合动态模型验证.......................................................................... 30
3.6 计算时间对比...................................................................................................... 33
3.7 本章小结.............................................................................................................. 34
平板型太阳能与建筑一体化墙体状态空间模型及求解 .............................. 35 第四章
4.1 状态空间模型...................................................................................................... 35
4.2 一体化墙体的状态空间模型.............................................................................. 36
4.2.1 一体化墙体的空间离散 ............................................................................. 36
4.2.2 一体化墙体状态方程 ................................................................................. 38
4.3 状态空间模型求解.............................................................................................. 41
4.4 一体化墙体状态空间模型验证.......................................................................... 42
4.5 计算时间对比...................................................................................................... 45
4.6 本章小结.............................................................................................................. 46
一体化墙体热特性分析 .................................................................................. 47 第五章
5.1 计算分析的基本条件.......................................................................................... 47
5.2 晴天运行工况下一体化墙体热特性分析.......................................................... 47
5.2.1 夏季运行工况一体化墙体热特性分析 ..................................................... 47
5.2.2 过渡季节运行工况一体化墙体热特性分析 ............................................. 51
5.2.3 冬季运行工况一体化墙体热特性分析 ..................................................... 55
5.3 辐照不足停运工况下的建筑传热...................................................................... 58
5.3.1 夏季辐照不足时建筑传热特性 ................................................................. 58
5.3.2 冬季辐照不足时建筑传热特性 ................................................................. 61
5.4 一体化墙体热特性的参数研究.......................................................................... 63
5.4.1 流体入口温度的影响 ................................................................................. 64
5.4.2 建筑材料特性的影响 ................................................................................. 66
5.5 本章小结.............................................................................................................. 69
结论与展望 ...................................................................................................... 70 第六章
6.1 结论...................................................................................................................... 70
6.2 展望...................................................................................................................... 71
参考文献 ........................................................................................................................ 73
在读期间发表的论文和承担的科研项目及取得成果 ................................................ 77
致 谢 ............................................................................................................................ 78
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
发生于 20 世纪 70 年代的能源危机让各国，尤其是发达国家政府认识到了能
源对于人类社会、经济发展的重要性。面对这一问题，人们采取了许多相关措施
以改进我们的能源消耗行为，出台各种降低能耗的法规和技术规范，优化能源利
用行为，发展节能技术等。随着进入 21 世纪，人们更清楚地认识到天然气、石油、
煤等化石能源在使用过程中会产生大量的烟尘、温室气体、硫化物等有害物质，
对人类的生存环境造成严重的危害。所以不可再生能源的枯竭威胁以及由能源的
利用所造成的地球环境危机问题（温室效应、酸雨等）让人们有了更加迫切的要
求来开发新能源，合理高效利用能源，使能源、经济、社会可持续发展。
我国的能源生产和需求之间存在一定的差距，能源、电力短缺现象在东部沿
海地区尤为严重。由中国建筑能耗模型计算得到，1996 年到 2008 年，我国的建筑
总能耗从 2.59 亿吨标准煤增长到了 6.55 亿吨标准煤。建筑能耗的迅速增加，一方
面是由于城市化的进程不断加快，建筑总面积增长迅速造成的（据统计，从 1996
年到 2008 年，我国城镇建筑总面积从 62 亿平方米增加到了 204 亿平方米）；另一
方面，是由于生活水平的提高造成了人们对建筑热舒适度要求更高，更多的设备
被使用所造成的。2007 年我国的建筑总能耗为 6.07 亿吨标准煤，约占全年总能耗
的23%，其中电力能耗为 7150 亿kW·h，约占全年总电耗的 22%。由于建筑能耗
在整个社会能耗中占有相当大的比例，因此，在确保热舒适度的情况下，采取措
施提高能源利用效率是积极必要的，比如，提高建筑热设备的能源效率，采取更
加合理的控制调节手段，降低建筑围护结构的能耗量，以及利用更有效的能源运
行策略等方法。但我们也认识到，在采取不同的方法之前，必须更加深入、细致
地了解，掌握建筑热系统，而这就要求我们更进一步的了解建筑热系统行为和建
立更细致的系统热模型。
太阳能作为一种可再生能源，以其节能、环保等独特的优势已成为当今世界
各国最重视的新能源之一。我国太阳能资源非常丰富，对太阳能资源的开发利用
有利于节能减排和社会的可持续发展。为此，我国出台了一系列的政策和法规来
鼓励人们在建筑上使用太阳能技术。1995 年1月国家科委、计委和经贸委拟定了
《新能源和可再生能源发展纲要》，提出我国能源的发展目标、任务以及处理措施
[1]。2006 年2月国务院公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》重点指出，
可再生能源低成本规模化开发利用（太阳能与建筑一体化技术）和建筑节能与绿
上海理工大学硕士学位论文
2
色建筑（绿色建筑设计技术，节能、绿色建材开发）分别是城市发展和能源开发
中的两大优先发展领域[2]。
1.2 太阳能建筑
太阳能建筑是以降低能耗，节约能源，改善环境为发展目标的利用太阳能供
暖、制冷、照明、发电等的建筑，即是利用太阳能构件和建筑自身墙体的集热、
隔热、蓄热等作用对太阳辐射进行能量转换来提供建筑物的热水、供暖、空调等
方面需求的建筑。迄今为止太阳能建筑技术发展迅速，已从传统的太阳能单一采
暖系统逐步向多元化、多功能方向发展，主要包括太阳能通风降温、光电转换、
光热转换、太阳能制冷等新技术。太阳能建筑的发展历程大致可以分成三个阶段：
早期出现的是“被动式太阳能建筑”，它是一种通过建筑朝向、布置以及相关结构
材料的应用来蓄存和分配太阳能的建筑；第二阶段主要为“主动式太阳能建筑”，
它是一种将集热装置与空调及供热系统结合为一体的节能建筑；第三阶段是加上
太阳光电转换的应用，为建筑物制冷、供暖、照明和发电，完全能满足这些需求
的建筑称为“零能建筑”。
1.2.1 被动式太阳能建筑
被动式太阳建筑是通过建筑朝向的选取，内外空间的布置，以及相关结构材
料的合理应用，使其在供暖季节能够蓄存和分配太阳辐射能，而在制冷季节又能
够起到遮挡太阳直射辐射，减少室内的得热量，从而达到冬暖夏凉的目的。其造
价相对不高，节能效果明显，是太阳能建筑的主流方向。被动式太阳能建筑主要
有以下几种类型：
（1）直接受益式：主要是利用建筑窗户的自然采光得热。冬季太阳辐射热量
通过玻璃直接进入到室内，一部分热量通过对流和辐射的形式被室内空气所吸收，
使室温升高，另一部分热量被室内的家具、地面和墙壁吸收蓄存起来，延迟一段
时间后逐渐释放，使夜间室内温度不至于降低太多。直接受益式太阳能建筑由于
其南向窗户的面积较大，在冬季应采取相应的保温措施，以减少夜间和阴天时窗
户的热损失，在夏天则需要采取遮阳措施，以减少室内的得热量。
（2）集热蓄热墙式：主要是利用南向垂直墙面吸收太阳辐射能，通过热传导、
对流和辐射的形式将热量从室外传递到室内。这种太阳能建筑的外墙外表面通常
会涂有一层黑色或深色的涂料，以便于增加对太阳辐射能的吸收比例。集热蓄热
墙的主要形式有：实体式集热蓄热墙，花格式集热蓄热墙，水墙式集热蓄热墙，
第一章 绪论
3
相变材料集热蓄热墙等。
（3）附加阳光间式：在房间的南侧附建一个阳光间，其主要有玻璃透明构件
组成，阳光间和室内采用带孔洞或门窗的公共墙隔开。这种形式的太阳能建筑很
好的集合了直接受益式和集热蓄热墙式的优点，阳光间内的温度始终高于室外环
境温度，在白天可以通过对流和通风供给室内热量，在夜间可以作为保温结构，
减少室内的热损失。
（4）屋顶池式太阳房：主要是利用屋顶水袋保温隔热作用对建筑进行冬季采
暖和夏季降温。水袋置于屋顶之上，上方设置有可自主开闭的保温板。夏季晴天
时，关闭保温板，阻挡太阳辐射热量和室外热空气的对流换热，同时用较凉的水
来吸收室内的热量；夜间则开启保温板，使水袋充分降温。冬季白天时，开启保
温板，让水袋吸收辐射和对流热量，热量通过导热、对流和辐射传递至室内；夜
间则关闭保温板，减少室内的热损失。这种形式的太阳能建筑主要适用于夏热冬
暖地区。
被动式太阳能建筑从人类社会产生就开始利用，其基本的工作机理就是“温
室效应”。被动式太阳能建筑的外墙体应采用热惰性较高的建筑材料，以确保建筑
的蓄热能力。美国能源部指出，被动式太阳能建筑的能耗比常规的普通建筑低 47%，
比旧的常规普通建筑低 60%[3]。随着人类社会的不断进步，人们已经不再满足于被
动的利用太阳能，而是热水、光电和光热的综合利用，因此，主动式太阳能建筑
应运而生。
1.2.2 主动式太阳能建筑
主动式太阳能建筑是以太阳能集热器部件、热存储装置、流体管道、室内末
端以及动力装置等构成的太阳能采暖系统，或者是与制冷机结合的太阳能空调系
统。主动式太阳能建筑主要有以下几种类型：
（1）热风集热式供热系统：太阳能集热部件被设置在南向屋面上，空气被加
热后通过风机送入室内。在室外环境状况较差时，开启辅助热源，通过控制装置
调节送风温度的大小。
（2）热水集热式地板辐射采暖兼生活热水供应系统：在建筑屋顶设置有太阳
能集热器，整个系统由太阳能集热器、集热和采暖循环水泵、蓄热和供热水箱、
辅助热源、辅助热交换器、地板辐射采暖盘管等组成。热水通过保温水管送到室
内辐射盘管中进行散热降温，降温后的凉水由循环水泵送至集热器中加热，太阳
辐射不足时，采用辅助热源进行辅助供暖。
（3）太阳能空调系统：兼有供暖和供冷两种功能，通过光电和光热转换部件
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：82 页
大小：3.48MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
