集热蓄热墙式被动房热负荷简化计算方法研究

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集热蓄热墙式被动房因其构造简单、初投资少、能有效改善室内热环境等优点被广泛应用于我国北方大部分地区,但其使用受太阳能资源的限制,夜间或阴雨天无辐射时室内热环境难以维持在设计温度,需设置主动设备作为辅助热源,而主动设备的选型与热负荷的计算密切相关。由于传统建筑对太阳辐射利用程度小,且冬季室内外平均温差远大于室外温度波动值,其热负荷采用稳态计算无疑是较为合理的方法。区别于传统建筑,集热蓄热墙受室外温度和太阳辐射双波动影响,向室内的传热量具有显著的波动特征,从而导致集热蓄热墙式被动房热负荷从稳定状态向波动状态转变,传统稳态计算方法不再适用。但动态计算方法过于复杂,难以满足工程应用要求,亟待提出适用于工程设计应用的集热蓄热墙式被动房热负荷动态简化计算方法。基于此,本文在考虑传统建筑热负荷的基础上,进一步考虑集热蓄热墙对热负荷的削减作用,分析了门窗、冷风渗透、墙体(非集热蓄热墙部分)和集热蓄热墙向室内的动态传热过程,建立各部分传热量的数学模型,进而提出了集热蓄热墙式被动房热负荷动态简化计算方法,主要研究内容及结果如下:(1)分析了集热蓄热墙式被动房热负荷的构成,并根据各部分的动态传热过程,建立其传热量的数学模型。集热蓄热墙式被动房热负荷主要包括门窗耗热量、冷风渗透耗热量、墙体耗热量和集热蓄热墙得热量。其中,根据门窗等轻质结构和冷风渗透对室外外扰响应快的特点,其动态耗热量直接采用逐时稳态计算方法。(2)提出了墙体耗热量的动态简化计算方法。首先,分析了墙体耗热量的影响因素(地点、朝向、墙体类型),通过交叉组合实验,模拟计算了不同影响因素(100种工况)下的墙体动态耗热量,将此耗热量与稳态计算的耗热量的比值定义为墙体负荷系数。给出了不同地点、不同朝向、不同墙体类型的墙体负荷系数,进而得到了利用墙体负荷系数结合稳态耗热量计算墙体动态耗热量的简化方法。(3)提出了集热蓄热墙得热量的动态简化计算方法。首先,通过分析集热蓄热墙向室内的传热过程,将其得热量分为通风孔对流传热量和集热墙导热传热量。其次,分析了影响集热蓄热墙得热量的结构参数,模拟分析了典型地区不同结构参数形式(1280种工况)的集热蓄热墙对流传热量和导热传热量,并将对流、导热传热量与其极大值的比值,分别定义为通风孔得热系数和集热墙得热系数。进一步,通过多元回归的方法构建了对流、导热传热量极大值与不同结构参数形式的回归模型。给出了典型地区的多元回归方程系数及通风孔、集热墙得热系数,进而得到了利用对流、导热传热量极大值结合通风孔、集热墙得热系数计算集热蓄热墙得热量的动态简化计算方法。(4)对比了传统动态计算方法与本研究提出的简化计算方法,揭示本研究提出的集热蓄热墙式被动房热负荷动态简化计算方法的合理性。选取拉萨地区典型的集热蓄热墙式被动房为对象,通过模拟分析发现简化计算方法与传统动态计算方法得到的热负荷相对误差为5.1%,这表明本研究提出的集热蓄热墙式被动房热负荷简化计算方法合理准确。通过以上研究,得到了集热蓄热墙式被动房热负荷动态简化计算方法,该简化计算方法的提出可为工程设计人员在设计前期阶段为主动设备选型提供方便,也为被动房相关规范的编制提供一定的支持和参考。基于以上研究基础,编制了被动房热负荷计算软件,为设计人员在工程应用中提供更为简便的手段。
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