基于西北村镇居民室内活动轨迹的差异化太阳能采暖热过程及优化设计研究

Influenced by indoor activity pattern, expection temperature of rural residents are different for each room during different time in winter. Base on abundant solar energy in northwest heating area,the day parting time operation local solar heating is suitable this condition.This technology satisfy indoor thermal environment demand of residents base on limited solar energy by combined building thermal insulation, passive solar house and active solar heating.In view of this combination technology has many thermal process dynamic coupling characteristics and the boundary belongs to the double side multidimensional wave conditions, the existing related design methods are difficult to apply in the aspects of indoor temperature control target,heat load calculation method, optimal principle of building insulation and heat source design. Therefore, day parting time operation local heating mode need determine by field investigation to master the requirement rules of the local residents on indoor temperature in time and space. The mathematical model of this coupled systems will be established by analyzing the matching conditions and the coupling relationship of the passive solar energy regulation,room intermittent preheating and active solar thermal storage adjustment. The optimization cooperate relationship of three technologies will study through the test and numerical calculation. The design methods and operation control strategy of building thermal and solar heating,which adapt to the residents actual heat demand are expect. The aim of this study is improve building thermal environment in northwest village meanwhile do not increase fossil energy consumption obviously.

虽然西北多数采暖区太阳能资源丰富，但以太阳能支撑全部房间连续供暖的初投资超出当地居民普遍承受力。而受冬季室内活动轨迹影响，村镇居民对不同时段、各房间温度期望值不同，适宜分时分区的差异化太阳能采暖运行模式。该技术以被动太阳能调节优先，对于居民实际用热需求与被动调节之间的差值，以主动太阳能采暖进行定时、定向、定量补充。鉴于此类建筑具有多热过程耦合特征，边界属于多维组合波动条件，现有设计方法难以适用。因此拟通过现场调查掌握居民对室内期望温度在时间、空间上分布特点，确定室内温度设计参数和差异化采暖模式；分析被动太阳能调节、房间间歇预热、主动太阳能热蓄调等热过程的耦合关系，建立控制方程组；通过实验测试和数值计算，定量分析主、被动调节的优化匹配关系，形成适应于居民用热需求的房间负荷计算、建筑热工设计、太阳能采暖系统设计方法以及运行调节策略。旨在不明显增加常规能源消耗的基础上，改善西北村镇建筑热环境。

随着生活水平的提高，改善室内热环境成为西北居民的主要诉求，会造成建筑能耗急剧增长。如何在不明显提高能耗前提下，提高居民室内环境满意率是我国城镇化进程中急需解决的问题之一。此外，我国西北多数需要采暖地区太阳能资源丰富，具备发展太阳能采暖的条件。因此，主被动结合太阳能采暖应是西北村镇建筑采暖和节能优先发展方向。.通过对超过900个住户现场调研测试，获得了西北村镇建筑冬季室内热环境现状；结合现场调研和人工气候室实验室研究，获得了活动和睡眠两种状态下居民热需求特征，得到了冬季室内采暖设计参数；通过对居民室内活动轨迹统计分析，确定了住宅建筑分时分区采暖模式。建立了两种不同类型的集热蓄热构件数学模型，通过数值模拟完成了不同用能模式条件下构件设计优化及室内热环境分析。通过建立供暖末端综合评价模型，分析不同供暖末端类型应用适宜性；以差异化热需求为基础，开发了一种太阳能暖床末端，建立了其散热理论分析模型，通过实验和模拟的手段获得了散热特性及室内热环境营造特征，形成了散热量简化计算方法。建立了分时分区采暖建筑房间热过程分析模型，提出了以热负荷系数法计算各类功能房间不同采暖模式下热负荷；以主被动组合太阳能采暖建筑为对象，建立了主动太阳能分时分区采暖热力过程分析模型，通过测试验证了模型准确性，并通过模拟分析了系统热力蓄调和优化设计，形成了太阳能分时分区采暖设计方法和系统运行控制策略。.研究成果获教育部科学技术科技进步一等奖1次、陕西省高等学校科学技术奖1次；形成了太阳能采暖领域的专著、教材2部；在国内外重要期刊和大型会议上发表科研论文45篇，其中SCI检索12篇，EI检索8篇，核心期刊20篇；培养研究生14名，其中博士研究生3名，硕士研究生11名；授权发明专利4项，申请发明专利4项。本研究成果将为中国西北村镇主被动式组合太阳能采暖技术的发展、太阳能采暖建筑和系统的设计提供基础数据和理论支持。