建筑一体化太阳能系统设计与分析技术研究

For speeding up the application of the building-integrated solar energy technologies,the following two issues are urgently needed to be solved: (1)few architects have mastered how to design the solar systems to be well integrated into buildings; (2) there is still lack of effective design manuaules and design surpport tools available to aid the integrated design.Therefore, the present project aims to study design and analysis technologies for integrating the solar system into buildings at the design stage. This study attempts to develop a 3D-CAD-based design system which can be used both in the general building design and the thermal/energy analysis of the integrated solar system. As an application of this design system, a database bank will be made for surpporting the integrated design in Guangxi with warm-winter and hot-summer climate.The proposed design system will be capable of performing optimal design in the analysis of the solar heat collection during the building design. Hourly values of solar heat collection, hot-water supply, auxilary heating load and energy-saving effect can be also simulated using the design system. Furthermore, simulated temperature distributions of solar collectors and builing surfaces can be visulized on 3D-CAD building models, as rendering buildings in the landcaping analysis.Information and data for solar parts and units can be shared both in the architectural design and solar system design. The accuracy of the simulated result will be verified through outdoor experiments and real projects.

为了促进建筑一体化太阳能利用技术的推广应用，急需解决当前掌握建筑一体化太阳能系统设计技术的建筑设计师尚少以及缺乏有效的设计辅助工具和技术规范等课题。因此，本项目以研究太阳能光热系统与建筑一体化的设计方法和分析技术为目标，研发基于建筑设计三维建模技术的设计分析系统，构建夏热冬暖地区的广西为应用示范区域的建筑一体化太阳能光热系统设计基础数据库。拟研发的设计分析系统可以与通用建筑设计软件在同一设计平台上进行太阳能系统设计和优化分析，并获得以下数值模拟计算结果：逐时集热量、制热水量和建筑内部节能效果等。还可以将集热器的集热量表面分布和建筑外表面温度分布等计算结果显示在三维建模上，并与建筑外部景观设计相结合，提供三维可视化分析功能。实现太阳能采光集热构件与建筑主体设计的信息及资源统一管理和共享。通过屋外实验平台和实际项目的实测对本分析系统的计算结果进行检验。

为了促进建筑一体化太阳能利用技术的推广应用，急需解决当前掌握建筑一体化太阳能系统设计技术的建筑设计师尚少以及缺乏有效的设计辅助工具和设计技术资料。为此，本项目以研究太阳能光热系统与建筑一体化的设计方法和分析技术为目标，研发基于建筑设计三维建模技术的太阳能系统设计与分析系统，构建夏热冬暖地区的广西为主要应用示范区域的建筑一体化太阳能光热系统设计基础数据库。根据我国建筑热环境分析专用气象数据集，绘制了广西太阳能资源分布图，并结合实地观测气象数据，编制了南宁市及广西其他主要城市的气象参数逐月/逐日气候分析图，从而为在这些地区进行建筑一体化太阳能光热系统设计提供了关键的气象数据。通过对广西太阳能热水系统与高层建筑一体化设计上存在问题进行详细的分析与整理，发现了可以根据不同类型高层住宅热水使用特点、当地居民用水习惯，综合系统的热效率、舒适性、运行管理的方便性及投资的经济性等多方面问题进行考虑，选择合理的太阳能热水系统。基于广西气候条件，通过对建筑一体化太阳能集热系统构成进行整理和分类，整理出集热器与建筑物结合的主要形式：①屋面架空式、②屋面嵌入式、③墙面外挂式、④墙面镶嵌式、⑤阳台镶嵌式、⑥阳台外挂式。在通用三维建筑设计软件上，编制了太阳能集热器构件的建模程序模块，从而可以对太阳能采光集热构件进行建模，使太阳能构件既能作为一般建筑构件使用，也有能够附加材料和结构构成等属性数据。针对提出的计算方法进行了全季度验证实验，结果表明本预测程序基本能保证计算值与实测值的偏差控制在5℃以内。本项目发明了一种智能太阳能热水系统控制方法，并研制了智能太阳能热水系统控制器。该控制器可以根据当天天气情况和设定待加热水的需求温度，计算集热器利用当日太阳辐射可加热达到设定水温的储水箱最大储水量，从而控制储水箱的最大进水量，使太阳能热水系统即使在太阳辐射条件不太佳的天气状况下，仍然能获得水温较高的热水。