太阳能富集区零碳建筑研究的基础科学问题

建筑领域尽快实施推广零碳建筑,对实现我国碳中和目标具有重要的现实意义。“太阳能富集区”是指《太阳能资源评估方法》(GB/T 37526-2019)中划定的我国单位面积年水平面总辐照量≥6300 MJ的太阳能资源最丰富区,主要分布在我国青藏高原地区,有着极其特殊的地域特征:冬季寒冷,建筑采暖周期长,运行碳排放高;辐射强烈,气温年较差和日较差大,建筑设备系统运行稳定性差、效率低;常规能源稀缺,但辐射资源丰富且地域广阔,降低了规模化利用太阳能的成本,具备率先实现区域性建筑碳中和目标的禀赋条件。在国家和建筑行业双碳战略目标任务的整体布局下,获得了“十四五”国家重点研发计划项目“太阳能富集区零碳建筑关键技术研究与示范”的支持,该项目探索完全以太阳能为驱动能源,即能源端脱碳体系下,结合该区域的建筑特征与社会经济发展水平,研究适配的零碳建筑技术路径、设计方法及其技术支撑体系,争取实现区域零碳建筑先行示范。本文旨在提出太阳能富集区零碳建筑研究基础科学问题的若干建议,为关键技术研发和工程示范提供理论基础。

西藏高原零碳太阳能区域供暖新模式与实践

西藏高原冬季寒冷漫长,煤炭、天然气等常规能源储量近乎为零,建筑供暖挑战极大。然而,当地太阳能资源极其丰富,具备利用太阳能实现建筑零碳供暖的先决条件。针对西藏高原“绿洲型”县城和乡镇,对“规模化太阳能集热+大型水体蓄热+建筑围护结构差异化保温+南北分环独立供暖”全链条零碳太阳能区域供暖模式进行了探索,阐述了规模化太阳能集热技术与产品、大型蓄热水体容量配置与高效蓄取热技术、建筑围护结构“差异化保温”设计方法、南北分环双独立供暖新系统等成套关键支撑技术与方法,并介绍了供暖新模式在西藏高原的工程实践经验与成效。

高原太阳能供暖蓄热系统保温及容积设计方法

针对西藏高原强太阳辐射、大温差及低气压的特殊气候条件,分析了高原太阳能蓄热体的热损失特征,归纳了典型高原地区的阴天概率分布,计算了当地太阳辐射规律与建筑热负荷规律。通过模拟分析得到了太阳能供暖蓄热体的年热损失量与集热蓄热比、蓄热容积之间的函数关系,推荐给出了适宜于高原地区的保温材料及不同蓄热模式下的保温厚度,并给出了不同蓄热周期、不同供暖末端热媒温度的蓄热容积推荐值,结果可供高原太阳能供暖蓄热系统精细化设计参考。

双层相变材料复合水箱蓄热特性研究

以双层相变材料复合水箱为研究对象,通过数值模拟和实验研究的方法,对该水箱的蓄热特性进行模拟分析与实验验证,对比分析单、双层相变材料复合水箱的热特性,探究双层相变材料位置对复合水箱蓄热特性的影响规律。研究结果表明,与单层相变材料复合水箱相比,双层相变材料复合水箱的热分层更好,蓄热能力得到提升,双层相变材料复合水箱较普通水箱的蓄热量提高9.7%。双层相变材料距离进出水口位置较远时,相变材料完成熔化的时间更接近,更有利于蓄热水箱的热分层。

拉萨地区平板太阳能集热系统变流量运行策略及效益分析

针对室外环境参数波动变化以及蓄热系统温度波动特性,提出一种太阳能集热系统变流量运行调控策略,建立最优流量优化模型,回归得到不同工况下最优流量值多项式函数,并与定流量运行策略下的系统运行性能进行对比分析。结果表明:与定流量运行方式相比,采用变流量调控策略时,集热系统净收益显著提升。对于拉萨地区100 m^(2)串并联形式平板太阳能集热系统,采用变流量运行策略时,虽然运行泵耗增加,但集热量增益更大,相比单位集热面积流量为0.02 m^(3)/(h·m^(2))时,集热系统净收益增加了468.7 MJ,提高了6.75%。

区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统运行性能分析

针对传统太阳能供暖仅集中蓄热系统运行温度高造成集热效率低以及热损失大等问题,提出区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统,建立组合蓄热系统的数学物理模型,利用Matlab平台编写组合蓄热系统模拟仿真程序,并将系统与区域太阳能供暖集中式蓄热系统对比。结果表明:相较于集中式蓄热系统,组合蓄热系统在西宁地区的太阳能保证率提高约36%,且逐月太阳能供热量更稳定;组合蓄热系统总集热效率提高约10%;组合蓄热系统的运行温度降低,其中集中埋地蓄热水体平均温度相较于集中式蓄热系统全年平均降低约17℃,热力管网平均温度全年平均降低约27℃;组合蓄热系统总热损失减少2.23TJ,其中热力管网热损失仅为集中式蓄热系统的39%。

布水器结构参数对拼装式方形蓄热水箱热分层性能影响的实验研究

本研究提出了一种用于改善拼装式方形蓄热水箱内部热分层效果的方形布水器,对比了有无布水器对蓄热水箱热分层的影响。实验研究了布水器的3种结构参数(平板尺寸、平板间距、挡板安装形式)对蓄热水箱热分层的影响。结果表明:布水器入口方式能有效改善水箱内热分层效果;平板当量直径与水箱当量直径比为0.15、平板间距与水箱高度比为0.05的布水器表现出更好的分流效果,挡板安装形式对水箱热分层的影响不大。

模块化光伏空调机组研发及性能实测分析

针对岛礁等孤立区域远离内陆、设备系统维修不便、安全可靠性要求高的问题,本文设计出直流型、交流型蓄电模块化新型光伏空调机组,对蓄电、逆变、制冷等机组部件进行了集成设计,对集成热堆积造成的机组性能衰减进行了理论分析。搭建了性能实验平台,实测了晴天、多云和雨天等不同天气工况下模块化空调机组的运行性能,得到2类机组的COP范围为2.80~3.35。模块化光伏空调机组可满足太阳能丰富的孤立区域的空调需求,具有更换灵活方便的特点。

太阳能富集区零碳建筑技术方案探讨(1):区域建筑群

青藏高原是我国太阳能资源最为富集的地区,具有以太阳能作为支撑率先实现建筑零碳化运行的先决条件。本文以区域建筑群为对象,调研了青藏高原多个城镇、县域、社区等区域建筑群组团及用能特征,重点分析了建筑群热、电供应技术现状。按照建筑群是否有集中式太阳能供暖系统分为2种场景,提出了4种太阳能零碳建筑群技术实施方案建议:1)原有太阳能集中光热供暖+集中式光伏供暖供电;2)原有太阳能集中光热供暖+分布式光伏供暖供电;3)原有分布式光热供暖+集中式光伏供暖供电;4)新增集中式光伏提供零碳电力,满足建筑群供暖供电需求。讨论了上述几种技术实施方案需重点解决的问题,并进行了案例分析。

西藏高原村镇住宅冬季典型热电负荷特征研究

针对当前村镇住宅负荷特征表征中缺少基于用能行为差异的热电负荷关联性分析,以西藏高原村镇居住建筑为研究对象,通过走访与调研归纳出典型建筑结构特征、人员活动等信息,提炼出8种典型用能情景。利用EnergyPlus模拟计算不同用能行为下典型居住建筑全年逐时热电负荷,根据k均值聚类分析提取村镇住宅热电负荷特征,并提出基于逐时负荷系数的动态负荷典型化方法。最后基于特征参数化分析得到用能行为差异下西藏高原村镇建筑各类用户的用能特征。

区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统形式探讨

传统区域太阳能供暖系统通常采用集中式蓄热水体,往往难以兼顾由于供暖末端不同造成的热用户用热品位的差异,而以区域内高温用热末端的供水温度确定供暖系统水温,导致区域太阳能供暖系统运行温度偏高,从而造成集热系统效率低、蓄热和输送热损失大等问题。基于此,本文提出了区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统,介绍了该系统的工作原理,分析了组合蓄热系统与传统蓄热系统的特征与区别,探讨了组合蓄热系统运行特性、分散水箱分布形式、容量设计与匹配、运行调控策略及综合效益评价等方面需研究的关键问题。

地面局部辐射供暖典型热环境特征化表征研究

局部精细化采暖是满足室内人员舒适前提下降低采暖能耗、实现采暖能源高效利用的重要方式之一.为提高采暖效率,给精细化辐射供暖提供方法参考,本文选取具有显著工位布局要求的办公场所作为对象,对地面局部辐射供暖模块影响下,室内不同区域热环境分布情况进行典型化研究分析,得到了不同局部模块供暖工况下室内非均匀热环境分布特征.分析结果表明,局部辐射面积为16.7%时辐射区域与非辐射区域平均辐射温度相差3℃以上,具有明显的局部环境营造效果;地面局部辐射供暖辐射区域与非辐射区域不对称辐射温度差异显著;将局部辐射源设置在靠近外墙区域,可以提高整体平均辐射温度,使室内平均辐射温度分布更为均匀.本研究初步给出基于地面局部辐射供暖的典型化热环境共性特征表述,可为后续局部辐射供暖系统的精细化设计提供参考.

屋顶光伏发电与遮阳综合节能分析

光伏组件附加于建筑屋顶在发电供能的同时也对屋顶热工性能产生一定影响。分析光伏屋顶热过程,对其物理模型进行简化,建立遮阳数学模型,分析遮阳对屋顶冷热负荷的影响,确定其遮阳增益特性,并搭建实验台进行验证;建立电性能模型,分析其供能增益特性;建立系统综合节能效率模型,分析遮阳发电综合节能特性。结果表明,相较于普通屋顶,附加光伏屋顶单位面积得热量和冷负荷均大幅度衰减,但热负荷有所增加,且峰值有一定延迟,平行架空和倾斜架空式附加光伏屋顶的日总负荷相对普通屋顶分别降低77.4%和69.4%,其系统综合节能效率分别为63.35%和62.73%。

含湿量对混凝土导热系数的影响分析

掌握混凝土导热系数与含湿量的定量关系是准确计算混凝土传热传质性能及建筑能耗的前提.通过试验分析了含湿量对3种常见混凝土导热系数的影响,并给出了两者之间的定量关系.研究结果表明:混凝土孔隙率越大,含湿量对其导热系数的影响越明显;在低含湿量范围内,混凝土导热系数随含湿量增加而增加的幅度较大,而在高含湿量范围内其增幅变小,且孔隙率和孔径越大时,此变化趋势越明显;获得了混凝土导热系数与质量含湿量的幂函数关系.

基于网格寻优算法的太阳能供暖系统匹配优化

传统太阳能供暖系统设计方法可根据建筑能耗计算出系统设备参数,但无法对太阳能供暖系统进行匹配优化。该文提出一种太阳能供暖系统优化设计方法,以系统年净收益为优化目标,根据太阳能供暖系统能量平衡方程等约束条件,利用网格寻优方法对集热面积和蓄热容量进行优化匹配,并使用TRNSYS软件对模型进行验证。以拉萨地区典型民居为研究案例分析太阳能供暖系统的经济性能。结果表明,该优化方法可对太阳能供暖系统设备参数进行优化,获得最大系统年均净收益;在太阳能保证率一定时,存在一个集热面积和蓄热容量配比,使得系统年均净收益最大。

太阳能集热系统过热影响因素分析

通过分析太阳能供热系统集热、蓄热和用热各个子系统的动态热量热平衡关系,建立太阳能集热系统热量传递数学模型,并结合集热系统内部流体过热汽化原理,提出集热系统过热度评价指标,并对集热系统在不同流量、水箱容积以及不同连接方式等条件下的过热程度进行分析计算。结果表明,集热系统过热度随热媒流量、集热器倾角和水箱容积取值的增大而减小,并通过对上述3种因素进行敏感性分析得到集热器倾角对系统过热度的影响最大。

太阳能采暖有效保证率分析

现行规范给出的太阳能采暖保证率是基于连续稳定采暖,未考虑到被动得热引起的过热以及非连续采暖引起的无效用热等问题。因此不适合于间歇运行的太阳能采暖。据此提出兼顾被动有效得热和主动系统非连续供热的太阳能采暖有效保证率,并给出计算方法。通过模拟分析,得到不同地区太阳能有效保证率的取值范围。相比于传统的太阳能保证率,在不同建筑热需求下,太阳能采暖有效保证率均有不同程度的提升,可实现有限太阳能资源最大化利用。

太阳能耦合空气源水源热泵复合供暖系统性能分析

提出了一种适用于北方地区的太阳能耦合空气源水源热泵复合供暖系统。以某铁路站区为例,建立了TRNSYS仿真模型和优化模型,分析了该系统的性能,获得了不同保证率下的设备容量和运行特性。结果表明,该组合供暖系统供水温度高且稳定,平均供水温度达60℃,对室外环境和供暖末端适应性强;该系统能最大限度地利用太阳能,提高太阳能利用率,相比无太阳能的空气源水源热泵复叠供暖系统,系统综合能效提升了22.5%~117.8%,平均提升了67.96%。研究结果为北方严寒、寒冷地区铁路站房提供了一种可行的供暖方案。

热湿地区居住建筑自然通风与空调耦合运行模式研究

提出了一种自然通风与空调耦合运行调控方法,对其控制流程和原理进行了分析,并建立了夏季居住建筑自然通风与空调耦合运行调控模型。以琼海地区为例,通过调查测试得到自然通风条件下居民中性温度(28.5℃)和可接受温度上限(30.5℃),以该中性温度和可接受温度上限为判断指标,对不同自然通风与空调耦合运行模式进行了数值模拟,得到了最佳运行模式,即:当室外温度上升至28.5℃时,开启空调;当室外温度下降至31℃时,关闭空调,1h后进行自然通风;空调运行温度推荐值为28℃。该模式下空调耗冷量为0.59kW·h/m2,与传统空调运行模式相比节能30.5%。

中国不同气候区日总太阳辐射计算模型适用性分析及通用计算模型优化

利用中国5个气候区96个气象台站的1981—2010年的日值气象数据,对比分析12个基于日照百分率和12个基于温度的日总太阳辐射计算模型在不同气候区的适用性。采用判定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MABE)、平均误差(MBE)和全局性能系数(GPI)5个评价指标,确定各气候区最适宜的模型形式。以该模型为基准,建立适用于中国不同气候区的基于日照百分率和基于温度的日总太阳辐射通用计算模型。结果表明,三次方形式的基于日照百分率和基于日较差-平均温度的模型在各气候区计算精度均最高;以该模型为基础,建立适用于中国不同气候区的基于日照百分率和基于温度的日总太阳辐射通用计算模型,其平均R~2分别为0.91和0.68。