建筑节能Word文档下载推荐.docx
《建筑节能Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑节能Word文档下载推荐.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
3.3.1围护结构得热分析19
3.3.2被动组分得热分析20
3.3.3逐月不舒适度分析22
第四章下一步工作与展望24
参考文献25
第一章绪论
1.1设计背景
能源对于人类社会和经济发展的影响至关重要，能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。
纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。
能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。
然而随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。
当前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家是以煤炭为主，其它国家大部分则是以石油与天然气为主。
根s据专家预测，按目前的消耗量，石油/天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年。
所以不管是哪一种常规能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。
随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。
据EIA统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为215.6亿吨，2001年达到239.0亿吨，预计2010年将为277.2亿吨，2025年达到371.2亿吨，年均增长1.85%。
面对以上挑战，未来世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发展。
因此不断寻找可替代能源并大力推广使用现有的可再生能源成为解决能源危机的重要手段。
1.2太阳能及太阳能房发展简介
1.2.1太阳能发展现状
自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护该国的利益。
其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。
于是，西方一些人惊呼：
世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。
这次“危机”在客观上使人们认识到：
现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。
从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。
1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。
日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：
太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。
为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。
70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对中国也产生了巨大影响。
一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；
在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用……。
1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了中国太阳能事业的发展。
这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了中国政府计划，获得了专项经费和物资支持。
一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。
当时，中国也兴起了开发利用太阳能的热潮。
这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：
各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。
开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。
国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。
研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。
各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。
例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。
事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。
1.2.2太阳能特点及应用
太阳能是一种典型的环境友好型能源，其广泛利用能够带给人类巨大的效益，太阳能主要有以下优势：
1、普遍性。
太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。
2、永久性。
太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有六百万年的期限，对於人类而言，这样的时间可谓是无限。
3、无污染性。
现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。
在人类与自然和平共处的原则下，使用太阳能可以说是最好的方法之一，且若设备使用得当，装置成后所需费用极少，但却可以产生巨大的能量。
煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，而使用太阳能时不会带来污染，不会排放出任何对环境不良影响的物质，是一种清洁的能源。
当然，大量使用太阳能之后，由於太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但这种温度升高，不致对环境造成不良影响。
4、太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。
据估计，在过去漫长的十一亿年当中，太阳只消耗了它本身能量的2％，今后数十亿年太阳也不会发生明显的变化，所以太阳可以作为人类永久性的能源，取之不尽、用之不竭。
它给地面照射15分钟的能量，就足够全世界使用一年。
5、太阳能安全可性。
化石燃料的燃烧会有污染环境的问题。
其他新能源如核能，会有核泄漏的危险，一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机，而太阳能绝对没有这种情况，是十分可靠的。
另外，太阳能带来的效益也是可观的：
1、减小CO2、NOX等温室气体以及SO2和颗粒物质等有害气体的排放；
2、大型荒漠等地区的光伏电站可以充分利用已退化的土地；
3、与建筑一体化的小型光伏发电装置可以减小电网输电线路的铺设与损耗；
4、减少能源的进口从而增强国家和地区的能源独立性；
5、通过太阳能减小对传统能源的依赖，提高能源利用形式的多样性和可靠性；
6、农村地区如太阳能集热器等简易太阳能设施可以加速欠发达国家和地区的能源利用进程和现代化进程。
1.2.3被动式太阳能建筑负荷一体化研究现状
太阳能建筑一体化通常包括负荷和结构一体化两个方面。
截至目前，关于建筑与集热模块以及光电组件外观上的协调一致（结构一体化）的研究较多，实际应用也较多。
负荷一体化主要针对建筑负荷的需求与集热设备及太阳能系统运行控制策略的优化进行研究。
本文主要介绍被动式负荷优化设计研究现状。
在负荷的被动式优化设计中，尤其针对北方地区，负荷通常指的是建筑的供热采暖负荷，即主要考虑冬季太阳能的被动利用。
设计师们一般会对影响建筑能耗的诸因素包括建筑形状、玻璃等透光面、建筑朝向及建筑材料等进行优化设计，从而减小日益庞大的建筑能耗需求。
被动式太阳房这种低能耗乃至零能耗的建筑结构形式就是很好的实例。
建筑的外形不同导致与外界环境换热的表面积不同从而影响建筑所需的供热负荷。
W.Wang等人研究了建筑平面形状对建筑全生命周期成本和室外气候环境冲击的影响，R.Ourghi等人研究了体型系数（建筑表面积与体积的比值）对建筑年能耗的影响并认为两者之间有很强的相关性，而P.Depecker等人则认为这种强相关性只在采暖度日数较大或者日照时间较短的地区有效。
T.Mingfang对太阳入射辐射的控制进行了研究，通过减小夏季室内得热获得建筑的最佳结构形式，U.T.Aksoy等人则研究了建筑外形结构对冬季采暖能耗需求的影响。
建筑朝向和玻璃透光率主要通过建筑各结构面接受的太阳辐射总量来影响建筑的能耗，J.Morrissey等人对81栋标准体积的住宅建筑进行了统计分析后认为能效越高的建筑对朝向的适应性越好，及朝
向的可变范围可以越大，一般的墙体的朝向以偏南为主。
在玻璃窗的研究方面，由于冬季供热负荷与夏季供冷负荷存在相反的影响，Mari-Louise等人对窗户进行优化后找出了一个适用于当地气候条件的建筑南向窗墙比的大小，同时还应考虑该侧墙体的传热性能。
建筑材料通过直接影响建筑与外界环境的传热系数以及建筑自身的蓄热性从而影响建筑的采暖负荷要求。
在维护结构传热性能方面，G.K.Oral等人从室内舒适性和建筑能耗等方面确定了围护结构传热系数限值，Lolloni和Y.Jinghua等人研究了墙体维护结构保温材料对建筑能耗的影响，K.Comakli等人从经济性出发对外墙保温材料的厚度进行了优化。
在墙体蓄热性能方面，Abdul-JabbarN.Khalifa研究了室内空气温度随建筑墙体蓄热性能变化的灵敏性，A.A.Hassanain等人则研究了不同屋顶形状被动式太阳能房的蓄热墙体的被动采暖效果。
Abdul-JabbarN.Khalifa和K.Gregory等人对不同结构形式和材料类型组成的重型墙体的蓄热性能进行了研究。
1.2.4技术研究路线
第二章理论分析与模型建立
2.1被动式太阳能房现存的主要技术问题：
随着经济的发展以及新技术的涌现，被动式太阳能房无论是在结构上还是空间布局中都得到了很好的发展与改善，在我国一些地区的示范应用中也收获了可观的成效。
但不可否认的是，在被动式太阳能房的发展过程中，依然有不合理的地方，仍然存在很多问题等着我们去解决与优化，集中表现在以下几个方面：
（1）如何更好、更多地接受太阳辐射
被动式太阳能技术，是指让太阳光穿过建筑物洞口或集热面（一般为玻璃）进入室内，经过密实材料（贮热体）如砖、土坯、混凝土等吸收太阳能而转化为热量，并延迟释放，从而加热建筑内部的建筑设计和构造技术。
由此可见，如果不能够合理地接受太阳照射，不能够接收到足够量的太阳辐射，那么，随后的各种改进技术都是空谈。
因此，如何更好、更多地接受到太阳辐射是太阳能房得以良好运行的先决条件。
（2）如何把既得的太阳能留住进而合理释放
被动式太阳能房设计从某种程度上说是一门巧妙利用太阳能的艺术。
当建筑物接受到良好的太阳辐射时，能否很好地将太阳能储存起来然后在夜间合理释放出来，这对于改善室内热环境、提高居住者的舒适度、降低室内冬季采暖负荷起着至关重要的作用。
（3）如何解决冬季采暖性能与夏季室内温度的矛盾
许多研究表明，被动式太阳房的冬季采暖性能越好，就越容易出现夏季过热现象，这一直是被动式采暖技术应用过程中亟待解决的问题。
良好的被动式太阳能房的设计不仅仅是满足冬季室内采暖，还应该考虑到夏季室内温度过高的问题。
如果夏季室内温度得不到很好地控制，反而会使夏季的空调负荷高于普通建筑，这有悖于被动式太阳能房“节能”的初衷。
2.2被动式太阳能房优化设计
针对以上的分析，本次对被动式太阳房的优化设计主要从太阳辐射的接收、冬季建筑物的保温、夏季室内温度的控制等几大方向入手。
2.2.1房屋朝向、墙壁倾角对室内热环境的影响
建筑物所在地的气候条件和外部环境，会通过围护结构直接影响室内环境。
为了合理的利用太阳辐射来得到良好的室内气候条件以满足人们生产生活的需要，就必须了解太阳相对于当地的运动规律以及对室内环境的作用机理。
由建筑环境学与建筑热过程可知，建筑物的朝向以及建筑向阳墙壁的倾角对于接受太阳辐射起着关键的作用进而影响室内热环境。
如果能够在找到一个针对当地地理条件最佳建筑朝向的基础上，合理设计朝阳壁面倾角，使得在冬季获得足够的太阳辐射而在夏季得到较少的辐射来控制室温，这十分有助于改善室内热环境与人体舒适度。
本次优化设计以天津地区为例，首先利用Ecotect软件对天津地区的建筑最佳朝向进行模拟分析，得到最佳朝向是南偏东7.5度的结果，具体的分析图示如下：
图中黄色箭头表示一年四季中建筑物的最佳朝向
在此基础上，对墙壁的最佳倾角进行分析：
首先计算天津地区7月21日（夏至）、12月21日（冬至）的太阳高度角和太阳方位角：
然后计算太阳能房墙壁的太阳能辐射强度：
最后得出墙壁的最佳倾角：
函数
求导后，对导函数值取零求极值：
θ1=12.01°
，θ2=55.63°
二阶导分析后得：
函数
为凸函数，二阶导在
的取值范围内恒为负值。
即
。
因此，
；
而对比夏季的最佳倾角
，55.63
已经偏离较多，也就是说建筑墙壁在夏季获得的太阳辐射量已大大减小。
在考虑建筑建造难度后，墙壁倾角在
左右，可实现夏季得热较小、冬季得热较大的效果。
综合以上分析可知：
对于天津地区的被动式太阳能房，全年最佳朝向为南偏东7.5度，朝阳墙壁的最佳倾角约为与地面成60度。
2.2.2玻璃幕墙对室内热环境的影响
建筑行业的迅猛发展，使得人们对现代化的建筑形态和外观有了一个大体的认识。
不难发现，大部分的所谓有个性、标志性的建筑都与玻璃幕墙的使用紧密的结合在一起。
然而传统单玻璃幕墙在工程实体上的广泛使用给人们的生活、工作带来了许多方便的同时，也带来了一些问题：
大量的能源消耗，一定的光污染，室内空气质量下降等等。
针对普通玻璃幕墙存在的上述问题，一个全新的幕墙型式——环保型节能双层呼吸式幕墙就应运而生。
双层呼吸式玻璃幕墙就好比是建筑物的保护罩，既能够很好的将建筑物本体与外界的噪音、风沙、强光等不利的气象因素隔离开来，又能很好的实现建筑物与外界的沟通，如下图所示：
综合对各种节能型玻璃幕墙的研究，最终选择“箱体式”双层玻璃幕墙应用到被动式太阳能房当中去。
在建筑围护结构的总耗热量之中，窗户的耗热量是最难控制与把握的，因此，箱体式玻璃幕墙材质的选择也是不容忽视的。
所选的材料首先应该有利于保温隔热，对此，外层幕墙采用单玻璃幕墙，缓冲区为空气层，内层幕墙为“断桥”型材和LOW-E中空玻璃，这对阻止夏季热量进入和冬季室内热量散失都具有显著作用，此外，遮阳百叶的反射作用也可提高保温、隔热作用。
用Sketchup对箱体式玻璃幕墙进行建模如下：
上述玻璃幕墙的工作原理会对保温、隔热有很大的改善，具体如下：
a.冬季保温工作原理：
进入冬季，关闭呼吸幕墙的出气口，使缓冲区形成温室。
白天太阳照射使温室内空气蓄热，温度升高，使内层幕墙的外片玻璃温度升高，从而降低内层幕墙内外的温差。
有效阻止室内热量向外扩散。
夜间室外温度降低，由缓冲区内蓄热空气向外层幕墙补偿热量，而室内热量得到相应保持，因而无论白天和夜间，均可实现保温功能作用。
b.夏季隔热工作原理。
进入夏季，打开出气口，利用空气流动热压原理和烟囱效应，使呼吸幕墙由进气口吸入空气进入缓冲区，在缓冲区内气体受热，产生由下向上的热运动，由出气口把呼吸幕墙内的热气体排到外面，从而降低内层幕墙温度，起到隔热作用。
2.2.3蓄热墙体的蓄热性能对室内热环境的影响
由于被动式太阳能房在白天和夜间能量供需存在不匹配的现象，为了调节昼夜能量的平衡并保持室内温度的相对稳定，建筑材料的蓄热性能就显得相当重要。
不管是在夏季和冬季，墙体材料的蓄热都是十分有必要的。
在夏季，白天通过墙体蓄热可以有效避免室内温度的过快升高，在晚上，围护结构所蓄存的热量释放出来又可以避免室内温度过低，极大的增加了室内环境的舒适性，同时又减少了相应设备的能耗；
而在冬季，墙体的蓄热性能更有必要，这种方案的应用可以有效的减轻冬季的供暖热负荷。
以红黏土砖为主要材料的普通墙体构造方法如下表所示：
材料密度导热系数比热容厚度
（kg/m3）（W/m·
k）（J/kg·
K）（m）
水泥砂浆18000.9310500.02
红黏土砖16880.437500.2
保温砂浆2500.061049.60.02
表：
普通墙体各层材料的与物性参数
由上表可以清晰地看出：
混凝土砌块厚度占据整个墙体厚度的绝大部分，但是其比热容较小，仅为750J/kg·
K,蓄热性能较差，不适宜作为被动式太阳能房的蓄热墙体。
我们都知道，水是一种良好的蓄热物质，其比热容为4.186J/（g·
℃）（0.1MPa15℃），密度为1000kg/m3（4℃时），具有密度大、蓄热能力强的特点。
这提供了一种选择蓄热墙体的方案：
即将水作为蓄热介质成为了可能。
墙体在整个围护结构中所占的比重是最大的，同时墙体蓄热设备的设计、安装和维护较其他部分容易，所以，这里所讨论的围护结构蓄热技术应用的主体是墙体。
就此，这里将传统被动式太阳能房中的重质蓄热墙体改为带水箱的蓄热墙体，即蓄热水箱是埋设在墙体内，蓄热水箱成为构成墙体的一部分。
之所以这样设计是因为，将蓄热水箱与墙体整合在一起一方面减少了蓄热水箱设备的专门占地，增大了可使用的建筑面积，反映了“节地”的理念，另一方面，将蓄热水箱设置在墙体内部，然后进行保温处理，这十分有利于热量的蓄存与释放，并且有助于改善白天和夜间能量供需存在不匹配的现象。
以蓄热水箱为核心的蓄热墙体构造方法如下表所示：
轻钢石膏板9500.168400.06
水10000.542000.4
不锈钢板281616.34600.002
蓄热墙体各层材料的与物性参数
普通墙体与蓄热墙体构造的对比
第三章方案可行性分析
3.1试验模型的建立
为了验证上一章中理论分析的正确性与准确度，同时又考虑到实际的可操作性，在此借助于Eco-tect的室内热环境模拟原理，用软件来代替实际试验，给出有价值的可行性分析。
首先在Eco-tect的三维建模面板中建立一个简单的被动式太阳能房模型，模型的朝向采用上面计算得出的结果，即南偏东7.5度，整个模型共分为两层，第一层布置六个房间，南北各三个对齐布置，在第二层共布置三个房间，每个房间按照5m*4m*4m的规格进行设计；
然后在整个太阳能房的朝向面布置箱体式呼吸玻璃幕墙，玻璃幕墙的
图1可视化效果图
倾角同样采用上述计算结果，即与垂直方向成30度角，这样在一层形成阳光走廊，具体可视化效果如上图所示。
3.2对比条件的设定
模型建立完成，接下来就是利用软件进行相关参数的分析，但是为了使得数据更具有参考价值，采用对比试验的方法。
先将建立好的被动式太阳能房模型复制一次，得到两个一模一样的模型；
然后对两个模型分别赋予不同的材质属性，一个采用传统的重质蓄热墙体以及单层玻璃幕墙，另一个采用含有水箱的新型蓄热墙体以及箱体式呼吸玻璃幕墙；
最后将两个模型在同一气象参数（此例采用天津市的气象数据）下进行模拟分析。
3.3结果分析与解读：
3.3.1围护结构得热分析
图2与图3分别表示两种在一年各个月份内建筑围护结构得失热
图2（改进型）
图3（传统型）
量，以天气较为寒冷的1月份及天气较为炎热的6月份进行说明。
由图2可得改进型的太阳能房在1月份0时至1时得失量为-29900W；
6月份14时至15时得失量为15323W；
由图3可得传统型的太阳能房在1月份0时至1时得失量为-44084W；
6月份14时至15时得失量为18507W。
对比以上两组数据，很容易看出：
在寒冷的冬季，经优化设计的被动式太阳能房比传统的太阳能房在围护结构的热量消耗上减少了14184W，而在炎热的夏季，前者比后者少获取了3184W的热量。
这一数据从侧面很好地说明了经优化设计的太阳能房在改善冬季采暖、夏季室温方面具有很好的优势。
3.3.2被动组分得热分析
图4与图5分别表示一年内两种建筑的被动组分得热的情况。
图4（改进型）
图5（传统型）
其中红色部分表示围护结构的热传导，从两者起点可得：
改进型建筑围护结构优于传统型建筑（改进型为2000
左右，传统型为3000
左右）；
黄色与深黄色分别表示太阳直射辐射得热与综合温度产生的热量，其中传统型建筑接受的综合温度产生的热量较高，也就是说热量更容易通过外围护结构进入室内，这同时也说明了优化后的太阳能房在墙体保温方面要优于传统设计的建筑。
3.3.3逐月不舒适度分析
Eco-tect软件的内置算法规定，逐月不舒适度的分析结果和能耗分析的结果相似，都说明了围护结构的保温性能在冬夏两个季节所体现的价值。
图6（改进型）
图7（传统型）
图6与图7分别表示改进的和传统的被动式太阳能房在每个月份的不舒适小时数，其中蓝色的表示寒冷季节，红色表示炎热季节。
为了清晰地看出每个月份不舒适小时数的具体分布，将Eco-tect分析面板里的数据导入Excel之中，具体如下：
图8（改进型）
图9（传统型）
由上述统计表格清晰的看出：
优化设计后的被动式太阳能房无论是在过冷小时数还是过热小时数上都小于传统的太阳能房，也就是说经改进后的太阳能房的人体舒适度优于传统建筑，节能效果更显著，有效地降低了冬季采暖、夏季制冷方面的负荷。
综上分析可知，改进型被动式太阳能房较传统型在围护结构的保温性能以及降低主动式负荷上有了明显的提改善，节能效果显著，有很大的推广空间。
第四章下一步工作与展望
由于本文的研究工作是基于软件模拟得出的，所构建的被动式太阳能建筑模型所得的模拟结果缺乏实测数据的检验，为此若条件允许得话，下一步的工作重点可以以被动式太阳能房实际建造和实际测试为重点，对整个被动式太阳能房系统进行验证，对其可行性分析进行检验。
另外，被动式太阳能房是减小建筑日益增大的能源需求和增大太阳能被动式利用的有效方式，希望在测试过程中可以对建筑各结构参数进行分析以及少量的参数调整来达到最好的效果。
在今后的发展中，被动式太阳能房可以与主动式太阳能房的相关技术相结合，两者可以相互弥补各自的缺陷，以达到建筑最大限度的节能，降低建筑的耗能
参考文献
【1】章熙民等.传热学（第5版）.北京：
中国建筑工业出版社，2007。
【2】美国Autodesk公司，柏慕中国.AutodeskAnalysis2011绿色建筑分析应用.北京：
电子工业出版社，2012。
【3】田彬，欧林等.被动式太阳能集热蓄热墙设计策略研究.成都：
四川建筑，2011年9月，第31卷增刊。
【4】王小林，陈滨.被动式太阳能建筑夏季降温实验研究.建筑热能通风空调，2009年4月，第28卷第2期。
【5】周正楠，刘晓霖.住宅设计实践中的被动式太阳能采暖技术应用研究.华中建筑，2010年，第28卷第7期。
【6】孙喆.夏热冬冷地区多层住宅被动式太阳能设计策略研究.华中科技大学.2005.5，55~60。
升级会员 