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授权级别：独家授权与委托
作品类别：国际论文网-农业理工论文
会员：fanhoulai
阅读： 次
编辑评分： 3
投稿时间：2012/9/27 14:41:25
最新修改：2012/9/27 14:41:25
来源：中国国际剧本网www.juben108.com |
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| 论文名：《一体化太阳能建筑表皮的构造及试验模拟》 |
| 【原创剧本网】作者:理工论文 |
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摘 要：结合上海地区太阳能的利用潜力，针对现有的光电板与建筑表皮相结合的构造方式，设计出一种集太阳能运用、隔热、采光导光、通风换气和智能控制于一体的太阳能建筑表皮，并通过CFD数值模拟对设计方案进行了优化．
关键词：太阳能；建筑表皮；一体化；构造；CFD数值模拟
1970年代末席卷世界的能源危机，使以太阳能为代表的可再生能源受到了世界各国的普遍重视，产生了一种所谓的“太阳能建筑”．随着光伏技术的发展，这类建筑的设计已成为太阳能利用的热点之一，如何将太阳能光电板与建筑表皮有机地结合在一起形成一体化太阳能建筑表皮则是这类建筑设计的一个重要方面．将太阳能光电板安装在屋顶或外墙上，使之成为建筑表皮的非承载性构材，不仅能够降低设备的成本，而且还能够创造新的建筑造型．本文以上海地区为例，探讨一体化太阳能建筑表皮的构造问题．
1 上海地区太阳能建筑表皮的利用潜力
上海地区属IIIA建筑气候区：1月平均气温o～lO。C，7月平均气温25～30。C；年日平均气温高于或等于25。C的日数为40～110 d，年日平均气温低于或等于5℃ 的日数≥90～0 d．由于夏季相当炎热，又是非采暖地区，所以冬夏两季多通过消耗电能来换取室内的热舒适度．尤其是在夏季，需要使用空调设备及通风机械来降低由太阳辐射造成的建筑物表皮热负荷，空调能耗约占建筑物总能耗的5O ，因此影响上海地区空调能耗的最大因素在于建筑表皮的遮阳处理是否良好．据统计，上海地区居民空调安装率已高达85 左右[5]，其能耗对城市环境造成了极大的压力．相关研究结果表明，在上海地区的建筑物表皮只要采用保护角为1：4的遮阳板，对于室内空问便有惊人的节约空调用电效果 。]，因此太阳能的开发利用在该地区有着巨大的潜力．
2 一体化太阳能建筑表皮的构造
目前，国内外太阳能光电板与建筑表皮结合的构造形式大致可分为三种 。 ：光电板与外墙脱开式、一体单片式、一体百叶式．表1为一体单片式构造与一体百叶式(三片式)构造在相同遮阳效果时的性能对比情况，其中5 为外遮阳系数．由表1可以看出，一体百叶式构造在表皮隔热效能、采光效能、导光效能等方面具有相对的优越性，所以我们将其作为一体化太阳能建筑表皮的设计形式．
2．1 太阳能光电板的设置及相关要求采用发电效率高、易制造、低耐久性的单晶硅太阳能光电板，构成独立式太阳能光电系统．当太阳能光电板工作时可以提供负载所需的能量，多余的电能可储存在蓄电池中供无日照发电时使用．另外，还可以并联其他发电机．1)太阳能光电板朝正南向时发电效率最大，故设置方位以南向为最佳，其次是东南向、西南向，再次之是东向、西向．2)相关研究结果表明，在上海地区的秋、冬季节，太阳能光电板以倾角为31。～47。时的发电量较高．考虑景观设计，我们将光电板的倾角设置为31。．倾角的另一个作用是借雨水来净化光电板表面，避免粉尘及水渍淤积而降低光电板的发电效率．光电板的背面应留有适当问距，以避免光电板表面温度过高而降低效率，并作为线路安装空间．3)外遮阳系数5 ≤ 0．5，即窗外遮阳能阻挡全年日射热一半以上．4)兼顾视觉美观和安全耐久，采用金属化、预铸化、轻量化的外遮阳设计．
2．2 模型与方案根据以上设计要求，我们制作了一个尺寸为6 m×3 m×3．3 m 的太阳能建筑模型．如图1所示，模型的开窗尺寸为1．65 m×1．5 m，并将窗口分隔成上下各75 cm两部分，窗口中设置1片导光板和1片光电板，构成二片式一体化太阳能建筑表皮．导光板兼导风板，可根据季节由太阳追踪器自动调整角度以导入最多的光线；光电板兼遮阳板，可阻挡太阳热辐射并发电，由太阳追踪器自动调整角度以达到最高能效．如图2所示，光电板180 cm×45 cm，导光板18O cm×39 cm，两板间距55 cm，与窗口脱离60 cm．这是因为，当光电板置为遮阳时，如果紧靠窗口设置光电板会使室内平均风速降低约l5 ，而当光电板脱离窗口60 cm 时室内平均风速会恢复到不设光电板时的数值．在此基础上，我们从如下两方面对模型进行了修改，从而确定了六种比选方案．1)改变开窗形式．开窗尺寸固定，开窗形式用水平旋转窗、垂直旋转窗替代原来的横拉窗．2)改变光电板和导光板(兼导风板)的数量． 如图3所示，用三片式(2片光电板和1片导光板)、六片式(4片光电板和2片导光板)一体化太阳能建筑表皮替代原来的两片式(1片光电板和l片导光板)一体化太阳能建筑表皮．比选方案可以增加该一体化太阳能建筑表皮的使用效能，但是必须通过试验探讨装设表皮的遮阳板数量、开窗形式与不同季节的影响，从而找出一组最佳的模式．模型的立面图及相关尺寸如所示．
3 数值模拟及方案比选
3．1 CFD数值软件及模型参数计算流体力学(Computational Fluid Dynamics简称CFD)应用于建筑物自然通风时，数值方法模拟的结果与试验结果是相当符合的¨l ．本研究也运用相同的CFD架构，应用计算机数值模拟探讨上述一体化太阳能建筑表皮模型在不同的比选方案情况下，风速场与温度场的分布情形，作为该一体化节能表皮构造通风效能的设计依据．本研究以上海某高校建筑物所处的气候条件为模拟试验的气候控制条件，其地理位置为北纬3l。l4 ，东经121。29 ．气候数据分为：夏季(6月一9月)平均温度26．675。C，风速1．575 m／s，浮力通风风速0．000 01 m／s；冬季(12月一3月)平均温度4．8℃ ，风速2．025 m／s，浮力通风风速0．000 01 m／s．由于该太阳能建筑表皮对窗口部的通风流场影响范围大，故如图5所示，在试验模型上下各加一层辅助试验空问，以增加通风流场的影响范围对窗口的完整性．
3．2 数值试验结果分析根据CFD计算机仿真解析后所得的结果，将一体化太阳能建筑表皮的综合评估分为五个项目，即太阳能的利用、隔热效能、采光与导光效能、通风换气效能、其他，进行综合评估，作为本研究设计修改的依据．各种开窗模式与遮阳形式建筑表皮的Fig．综合评分如表2所示，评分标准为：极佳，5分；佳，3分；普通，1分；差，3分；极差， 5分．综合比较可以看出，得分较高的一体化太阳能建筑表皮组合为水平旋转窗六片式和垂直旋转窗六片式．
4 结论
将光电板、导风板、导光板、钢架构等整合于表皮框架内，形成一体化太阳能建筑表皮，经计算机仿真数值解析可得出以下几点结论：1)水平旋转窗的进风量比同尺寸的垂直旋转窗或横拉窗大，且开口率比横拉窗大，有利于室内采光；2)光电板和导光板在夏季对开口处风速大小与通风效率的影响不大，但在冬季六片式一体化太阳能建筑表皮比三片式一体化太阳能建筑表皮的阻挡风能力好；3)六片式一体化太阳能建筑表皮的进气量优于三片式一体化太阳能建筑表皮，其水平导风板可使进气量增加．所以，建议在类似于上海区域气候特性的夏热冬冷地区使用水平旋转窗六片式一体化太阳能建筑表皮的组合形式．
参考文献：
[1]郑瑞澄．太阳能建筑应用发展方向和对策[J]．建设科技，2006(23)：54—58．
[2]王崇杰，赵学义．论太阳能建筑一体化设计[J]．建筑学报，2002(7)：28—29．
[3]丁国华．太阳能建筑一体化研究、应用及实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007．
[4]GB 510178—1993建筑气候区划标准Es]．
[5]李峥嵘，赵明明．上海既有公共建筑节能改造方案对比分析[J]．建筑节能，2007，35(8)：25—27．
[6]Michael Wigginton，Jude Harris．Intelligent Skins[M]．Oxford：Architectural，2002．
[7]刘炜．太阳能的利用与建筑表皮结合的发展研究[D]．石家庄：河北工业大学，2007．
[8]李保峰．适应夏热冬冷地区气候的建筑表皮之可变化设计策略研究[ ．北京：清华大学，2004．
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