青藏高原被动太阳能技术对建筑热环境的改善效果及其设计策略研究

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青藏高原地区气候常年寒冷干燥,建筑采暖需求大,但常规能源稀缺,当地丰富的太阳能资源为改善建筑室内热环境提供了良好的能源资源条件。然而,青藏高原各地区太阳能资源分布不均,室外气象参数也存在极大差异,使得被动太阳能技术呈现不同的利用效果,为被动太阳能技术在当地的推广应用带来严峻挑战。同时,目前尚缺乏针对青藏高原不同气候区适用的被动太阳能技术差异化设计的研究及相关技术规程。因此,亟待分析青藏高原地区被动太阳能技术利用的气候条件及被动太阳能技术对建筑热环境的提升效果,为青藏高原地区被动太阳能建筑的舒适节能设计提供科学基础和参考依据。本文首先将室外空气温度和太阳辐射两个主要影响被动太阳能技术热特性的环境因素结合,将青藏高原具有采暖需求的地区划分为Ⅰ类-严寒地区、Ⅰ类-寒冷地区、Ⅱ类-严寒地区、Ⅱ类-寒冷地区、Ⅲ类-严寒地区、Ⅲ类-寒冷地区六个地区;进而,调研归纳出各气候区的典型建筑形态,并依据房间的使用时段将房间分为三类模式。其次,通过数值模拟,探究了各气候区典型建筑使用传统单项被动太阳能技术、传统组合被动太阳能技术的室内热环境特征,并对影响室内热环境的关键因素进行优化;进而,基于温度保障原则,提出了青藏高原不同气候区三类房间模式适用的被动太阳能技术设计策略。同时,对于仅使用传统被动太阳能技术无法满足室内低温保障要求的部分青藏高原地区,进一步研究了集蓄热一体的屋顶强化太阳能技术(楼板蓄热热风供暖系统)与传统被动太阳能技术相组合对建筑室内热环境的改善效果,提出了传统被动与屋顶强化太阳能组合技术设计策略。主要研究结论如下:(1)对于Ⅰ类-寒冷地区及Ⅱ类-寒冷地区,利用传统被动太阳能技术即可使使用时段内室内最低温度高于15℃。被动太阳能技术参数推荐如下:墙墙比0.7~1的集热蓄热墙式技术;窗墙比小于0.6的集热蓄热墙与直接受益窗组合式技术。此外,对于21:00~次日8:00时段使用的模式3房间,上述两地还推荐窗墙比分别大于0.6、大于0.7的直接受益式技术;公用墙窗墙比大于0.4且进深小于1.8m、公用墙窗墙比大于0.5且进深小于1.4m的附加阳光间与直接受益窗组合式技术。(2)对于Ⅰ类-严寒地区、Ⅱ类-严寒地区及Ⅲ类-寒冷地区这三类地区,采用传统被动与屋顶强化太阳能组合技术,可使室内温度全天高于15℃;且窗墙比为0.2的集热蓄热墙与直接受益窗组合式技术或墙墙比为1的集热蓄热墙式技术所需集热器最少,集热器面积与供热房间面积比值,上述三地分别约占28%、15%、30%。此外,为避免室内昼夜温差过大,建筑窗墙比不宜大于0.5。(3)对于Ⅲ类-严寒地区,在传统被动太阳能技术基础上结合屋顶强化太阳能技术可改善室内热环境;但即使建筑南向与建筑屋顶的太阳能利用面积最大化,室内热环境舒适水平仍较差,全天仅30%左右的时间室内温度高于15℃。本研究立足青藏高原地区室外气象条件的地区差异性,基于建筑节能和舒适宜居的热环境营造目标,逐级量化剖析了“传统单项被动太阳能技术—传统组合被动太阳能技术—传统被动与屋顶强化太阳能组合技术”对各地区建筑热环境的调节效果;掌握了被动太阳能技术对青藏高原地区建筑热环境的改善能力;基于温度保障原则,归纳提炼了青藏高原各地区适用的被动太阳能技术组合方法、技术参数和设计策略。本研究为被动太阳能技术在青藏高原地区建筑热环境调节中的科学设计及合理应用提供了参考依据,对青藏高原地区充分利用太阳能资源、推动可再生能源利用技术的发展具有重要的工程意义。
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