多种太阳能新技术在示范建筑中的应用研究

太阳能建筑可以有效的降低常规能源的消耗,目前世界各国,特别是发达国家都对太阳能建筑的技术开发以及应用给予了极大的关注。我国在太阳能技术与建筑结合领域中,太阳能热水应用广泛,但对于太阳能采暖和制冷空调的应用还处在研究示范阶段。并且关于太阳能建筑仍然没有达成相对一致的共识,没有形成全面利用能源的理念,建筑的美学和太阳能功能之间仍然存在冲突。为进一步研究并推广太阳能技术与建筑一体化,探索太阳能技术与建筑的最优化的结合形式,提高太阳能系统在建筑上的性能表现,同时发挥示范作用,本文介绍了在中国科学技术大学校园建造的一栋太阳能示范建筑,作为太阳能技术与建筑一体化研究的实验平台。示范建筑整合了太阳能光热技术建筑一体化、太阳能光伏建筑一体化以及太阳能光伏光热技术建筑一体化等设计理念,共采用了太阳能主、被动采暖系统,太阳能光伏光热综合利用系统、太阳能制冷系统和太阳能热水系统等多种太阳能新技术为建筑提供采暖、制冷空调、生活热水以及发电等建筑能耗所需能源。本文对建造太阳能示范建筑的设计理念和系统运行策略进行了详细介绍,并对太阳能系统应用于示范建筑的性能表现进行了实验研究以及系统模拟预测。主要内容包括如下： 1.为解决示范建筑南北房间温差较大的问题,同时改善建筑室内采暖热舒适性,提出太阳能被动采暖系统对南向房间供暖,使用主动采暖系统对北向房间供暖的供暖策略,对太阳能主、被动双效集热器阵列构成的太阳能主、被动采暖系统不同供暖策略进行了对比试验研究。实验结果显示太阳能主动式双效集热器阵列构成的主动采暖系统为建筑采暖的加热功率可以达到16.0kW,集热效率在50%以上,电性能COP为21.6。使用优化供暖策略,无论根据PMV计算还是在垂直空气温度分层对热舒适性影响方面,房间热舒适性均在ASHRAE-Standard-55规定的接受范围内。本文还对太阳能主、被动双效集热器集热水性能独立运行和联合运行进行了实验研究,研究集热器阵列在不同集热面积,不同流量的条件下,对系统热效率的影响。 2.利用TRNSYS模拟平台,构建太阳能主、被动采暖系统模型,并通过实验获得数据与系统模型进行验证,证明了系统模型的可行性与准确性。通过系统模型,预测太阳能主、被动采暖系统对示范建筑在合肥地区冬季采暖的太阳能保证率,预测结果为39.5%。通过模拟研究了太阳能主、被动采暖系统对示范建筑冬季采暖在不同地域环境、不同气象条件下的太阳能保证率,结果显示拉萨地区,由于丰富的太阳辐射资源,太阳能保证率达到76.0%。通过比较得到,环境温度和太阳辐照强度是太阳能主、被动采暖系统对示范建筑冬季采暖的太阳能保证率的主要影响因素。 3.为更好的配合太阳能吸收式制冷系统,提高制冷机运行性能,以及改善热舒适性,在太阳能吸收式制冷系统中,设计了采用毛细管辐射制冷末端与太阳能吸收式制冷系统结合的系统方案。设计了温湿度独立处理的供冷策略,提出冷冻水实现梯级利用的运行策略,通过比例调节阀控制混合水温度作为室内毛细管席进水温度,可以有效防止室内毛细管席结露问题出现。通过实验研究获得,在非额定工况运行下(热水进口温度80.0℃)太阳能吸收制冷系统制冷量达到16.5kW,平均COP为0.6,电性能COP为2.7。通过房间热舒适性研究获得,南北房间热舒适度和房间内空气温度分层对热舒适性的影响也在可接受范围内。通过实验所获得太阳能制冷性能参数,借助TRNSYS模拟平台,建立太阳能制冷系统模型,通过模拟预测获得太阳能制冷系统对示范建筑在合肥夏季空调负荷的太阳能贡献率可以达到50.1%。 4.对示范建筑太阳能光伏光热综合利用系统进行了实验研究。实验结果获得光伏特朗勃墙光伏发电平均效率在12.6%,光伏热水模块系统发电平均效率在10.0%左右,系统集热水特征热效率为25.0%,系统热损系数为0.08MJ/m2。通过实验获得太阳能光伏系统性能参数,借助TRNSYS模拟平台,建立了系统模型,预测了示范建筑光伏系统全年运行的发电性能可以达到3885.0KWh。