巴基斯坦伊斯兰堡地区PVT围护结构对冷热负荷影响研究

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巴基斯坦是世界人口第六大的国家,同时巴基斯坦也是一个能源短缺的国家。近年来随着巴基斯坦人口以及工业区的增长,巴基斯坦正面临着严峻的能源危机。长期以来巴基斯坦能源消费主要还是依赖于传统的化石能源,对可再生能源的利用非常少。然而随着巴基斯坦传统化石能源的减少、化石能源价格的提高以及化石能源对环境的污染,发展清洁可再生能源来减少化石能源消费和减少环境污染是十分必要的。巴基斯坦的建筑能耗占总能耗的绝大部分,因此如何减少建筑能耗是巴基斯坦需要解决的问题。巴基斯坦属于亚热带和半干旱气候区,全年太阳辐射充足,发展太阳能具有非常大的潜力。PVT热泵系统即既可以发电又可以产热,综合太阳能利用率较高,为巴基斯坦减少建筑能耗提供了新的途径。为此本文以巴基斯坦PVT围护结构为例,针对PVT围护结构形式对建筑的冷热负荷及热性能影响特性的关键问题,在分析完成PVT围护结构的研究现状之后,采用理论分析与数学建模的方法,进行了以下研究:首先本文分析了PVT热泵系统的构成,以及PVT热泵系统的制热原理,针对PVT热泵系统各组件建立了PVT热泵系统的数学模型。提出PVT热泵系统性能参数预测10系数模型,并建立了PVT热泵系统性能参数预测模型,通过实验数据进行了模型准确性的验证。其次在建立PVT热泵系统性能参数预测模型的基础上,提出了三种不同形式(通风型、通风封闭型和紧贴型)的PVT围护结构,建立了不同形式的PVT围护结构的传热模型,同时建立冷热负荷计算模型,同样验证了模型的准确性。最后基于建立的PVT围护结构的传热模型,在MATLAB中开发模拟程序,以巴基斯坦伊斯兰堡地区建筑为例,对PVT围护结构各层温度和冷热负荷进行数值模拟,并分析PVT围护结构对建筑隔热保温性能的影响、通风流道宽度以及围护结构倾角对PVT围护结构冷热负荷影响。模拟发现:(1)通风型和通风封闭型PV屋面内表面温度随室外综合温度变化的时间较普通屋面延迟了1~2小时,紧贴型PV屋面内表面温度随室外综合温度变化的时间较普通屋面几乎无延迟。通风型PV屋面的温度衰减倍数最大,通风型PV屋面可以更好的维持稳定的室内温度。PV组件存在增加了原围护结构的传热热阻以及热惰性指标,PV组件的存在提高了原围护结构的保温性能和热稳定性能。(2)通风型PV和PVT屋面的峰值冷负荷较普通屋面分别降低了42%和75%,峰值热负荷较普通屋面均降低了13%,通风型PVT围护结构可以减少围护结构的冷热负荷(3)综合考虑PVT热泵系统的发电量、制热量、压缩机耗电量以及围护结构的冷热负荷,在巴基斯坦伊斯兰堡地区最适合采取热泵型PVT通风围护结构。(4)通过对通风型PV围护结构的不同流道宽度的冷热负荷模拟,发现随着流道宽度增加冷热负荷均有下降,通风流道的最佳宽度为300mm。(5)通过对PVT围护结构在不同倾斜面的冷热负荷模拟,发现冷负荷随斜面角度的变化趋势和太阳辐射照度随斜面角度变化趋势相同,热负荷随斜面角度的变化趋势和太阳辐射照度随斜面角度变化趋势相反,在巴基斯坦伊斯兰堡地区夏季垂直面上冷负荷最小,水平面冷负荷最大。冬季水平面热负荷最大,60度倾斜面热负荷最小。
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