西北乡域中小学教学建筑主被动组合式太阳能采暖设计方法研究

The solar energy is rich in most areas of China’s northwest. The teaching buildings of the primary and secondary schools with less building layer and large south lighting surface in village and town area are mainly used during the daytime. Therefore, the method of "passive technology priority, active system supplement" is suitable. However, it is important to consider the effect of winter vacation and nighttime on the heating outdoor calculating parameters value. The indoor design temperature should meet the requirements of thermal comfort and study efficiency at the same time. In view of the building thermal environment is influenced by multiple thermal processes, and the boundary conditions belong to the multidimensional combination wave. Therefore, the existing heating design methods may not be suitable for the teaching buildings with combination of passive and active solar heating. In order to obtain the appropriate select method for indoor and outdoor design parameters, the outdoor meteorological data during the usage period for the primary and secondary schools’ teaching buildings will be processed by statistical analysis method, and the quantitative relationship between study efficiency and indoor temperature will be explored. The building dynamic heat load calculation method will be proposed by analyzing coupled thermal process of the active and passive regulating alternately intermittent operation building. The optimization matching method and operation control strategy of heating system will be obtained by studying the intermittent heating thermal storage process and the thermodynamic restrictive relations among the key heating equipments. The aim of this study is to establish the combination of passive and active solar heating design method for primary and secondary schools’ teaching buildings in northwest villages and towns area.

我国西北多数地区太阳能丰富，乡域中小学教学建筑层数少、南向采光面大、且主要在昼间使用，适宜于采用“被动技术优先，主动系统补充”的组合式太阳能采暖方式。这种采暖方式的室外计算参数取值应考虑寒假和夜间等非使用期的影响；室内设计温度应同时满足热舒适和学习效率的综合需求；建筑热环境受多个热过程耦合作用影响，边界也属于多维组合波动条件，现有采暖设计计算方法难以适用。本研究拟统计分析西北乡域中小学教学建筑间断性使用期间室外气象数据，探索中小学生热舒适、学习效率与室温的定量关系，确定适宜的室内外设计参数取值方法；分析主被动太阳能交替调节的间断性使用建筑耦合热过程，提出建筑动态热负荷计算方法；研究主动太阳能间歇采暖热蓄调过程及关键设备之间的热力学制约关系，获得系统优化匹配方法和运行调节策略。建立适用于西北乡域中小学教学建筑的主被动组合式太阳能采暖设计方法。

针对西北地区太阳能资源富集、乡域中小学教室开窗面积大楼层低、夜间寒假低温时段不使用、室内需综合考虑高密度青少年热舒适和学习效率等特殊性，提出适宜的采暖内外设计计算参数、掌握教学建筑热负荷特性，进而提出“被动技术优先，主动系统补充”的组合式太阳能采暖方式是本项目研究的总体目标。. 项目通过近20个县城、60余所学校、2000余名中小学生的问卷调研及现场测试，掌握了西北地区乡域中小学校间歇性使用模式、建筑热工条件、室内热环境状况，获得了中性温度/期望温度等室内热舒适需求特征。提出中小学青少年学习效率综合测评方法，通过可控环境实验研究，利用学生逻辑思维、记忆能力、反应能力，以及生理测试的方法，掌握高效学习对室内温度的要求，综合考虑热舒适与学习效率影响，提出了教室内设计温度取值方法。分析了长期和短期间歇对采暖室外计算温度统计方法的影响机理，提出中小学教室、宿舍等不同使用规律建筑间歇采暖室外计算温度取值方法。完成了中小学建筑被动太阳能技术适宜性研究，提出了不同被动太阳能技术的室内热环境特征及其优选原则；掌握高纬度强辐射条件下大空间教室内热环境非均匀分布特征。提出适宜于中小学教室的强化对流行架空地板采暖末端，获得了该末端技术的动态蓄放热特性及其设计计算及运行参数。完成了中小学建筑主动太阳能间歇采暖热蓄调过程及关键设备之间的热力学制约关系分析，获得系统优化匹配方法和运行调节策略。形成了西北乡域中小学教学建筑的主被动组合式太阳能采暖设计方法。. 研究成果获教育部科技进步一等奖、陕西省高等学校科学技术一等奖各1次。发表科研论文21篇，其中SCI检索6篇，EI检索4篇。培养博士研究生1名、硕士研究生7名。申请发明专利13项，授权4项。主编教材《太阳能利用与建筑》、出版专著《太阳能采暖设计原理与技术》。课题组负责人获陕西省青年科技新星、陕西省高等学校青年杰出人才、全国暖通空调杰出青年等称号。本研究将为改善西北乡域中小学教室室内热环境、推广利用太阳能采暖技术，以及修订暖通空调标准规范相关内容提供重要基础数据和理论支撑。