高原组合式被动太阳能建筑的热过程机理研究

Passive solar energy utilization technology for its free maintenance, operation is convenient, economic and energy saving, etc, is considered a plateau construction best use of solar energy. However, Traditional way of passive solar energy utilization such as Direct gain, Trombe wall and additional attached sunspace are almost impossible to solve the paradox between small thermal resistance for south building envelope and the large thermal resistance for requirements of room insulation. This paradox leads to the poor application effect of many constructed project. Our research team put forward a combination way for building design with passive solar energy utilization to improve the living environment of students in cold plateau zone. But how the mechanism of dynamic regulation of step heat transfer characteristics impact the indoor thermal environment are not so clear.Theoretical analysis, numerical simulation and engineering platform test verification are used in this project research to know how the mechanism of dynamic regulation of step heat transfer characteristics impact the indoor thermal environment. Mathematical programming theory and solution method are established for direct gain window and thermal collecting wall, Evaluation index system and design optimization method also established systematically for combination envelope of passive solar utilization building.

被动太阳能利用技术因其免维护、运行便捷、经济节能等特点，被认为是高原建筑最适宜的太阳能利用方式。然而，传统被动太阳能利用方式（直接受益、特朗伯墙、附加阳光间），很难解决被动太阳能利用要求的南向围护结构小热阻与房间保温要求的围护结构大热阻之间的矛盾，造成实际工程项目应用效果欠佳。研究团队基于实际工程，提出了组合式被动太阳能建筑，有效的改善了高寒地区学生的住宿环境，但是组合式被动建筑的阶跃传热特性对室内热环境动态调控的机理性问题尚不明确。本项目拟通过理论分析、数值模拟、工程平台试验验证相结合的研究方法，摸清组合式被动太阳能围护结构的阶跃性传热特性对室内热环境的动态调控机理，建立集热墙与直接受益窗协同优化的数学规划理论与求解方法，形成系统的组合式被动太阳能围护结构评价指标体系与设计优化方法。

在项目执行过程中，课题组对申报书中提出的各项研究内容开展研究，通过理论分析、工程平台试验验证相结合的研究方法，建立了建筑透明围护结构和非透明围护结构的计算模型，利用数值模拟分析了不同朝向的动态传热过程，提出了太阳能富集的高寒地区建筑的等效体形系数；发明了热工性能可变的透明围护结构，建立了该围护结构的阶跃性传热模型，阐明了阶跃传热特性对室内热环境的影响机理，开发了“被动集热保温一体窗”、“建筑一体化空气集热器”；建立了南向组合式围护结构的动态热传递方程组，结合室温要求的房间热负荷特性，分析集热墙体与直接受益窗的相互制约关系，优化其配比参数；基于集热构件的热工方程，提出了组合式被动太阳能围护结构控制的决策参数，确定差异化采暖分时分区运行模式，实现了高效灵活的太阳能资源利用。.相关成果编入了《四川省公共建筑节能设计标准》（DBJ51/143-2020）和《四川省居住建筑节能设计标准》（DB51-5027-2019），并利用该成果开发了“被动集热保温一体窗”等产品，立项了《四川省集热保温隔声一体窗工程技术标准》和《甘肃省集热保温隔声一体窗工程技术标准》，论文发表在《Applied Energy》（SCI一区/能源电力学科高质量T1级期刊）、《暖通空调》（建筑学科高质量T3级期刊）等高水平学术期刊上，出版学术专著《太阳能供暖设计原理与实践》（中国建筑工业出版社，已提交书稿），并在“阿坝县暖巢二号”、“高原某快装营房”等工程项目中应用；其中，基于本课题形成的技术《组合式太阳能集热保温隔声一体窗》入选了中国人民解放军陆军后勤部“四新成果展”，得到了专家的认可与肯定，并最终汇入“四新”技术应用手册，达成了预期的研究目标。.