基于长周期-短周期复合储热的太阳能建筑热利用基础研究

Building thermal storage technology is the core technology which solves the intermittency and instability problems and ensures the continuous energy in the field of solar energy heat utilization, while it is also the weak link. The project intends to solve the key basic theoretical issues for the solar heating technology which combined long-cycle and short-cycle thermal storage in order to lay the foundations for developing the stability of solar heating, the solar fraction and the energy efficiency of comprehensive utilization. The project will research the heat process of solar short-cycle heavy thermal storage in the fluctuation thermal convection - radiation coupling effect, and the positive / negative thermal mechanism with indoor space through the experiment research, theory analysis and numerical simulation methods. The project will also research the coupled dynamic thermal characteristics of long-cycle and short-cycle composite thermal storage system in the variable load conditions, and build heat load forecasting model of long-cycle thermal storage. Meanwhile, The project will make the collaboration optimization for the architectural design and the performance parameters of the solar energy heat utilization systems by the BIM platform, develop a mode fitting for the solar multi-storey houses combined short-cycle and long-cycle composite thermal storage in the cold area and achieve the transformation from “energy subordinate form” to “energy-form coordination” in the solar building design. The research is expected to promote the perfection of solar thermal utilization theory analysis and design system in the building.

建筑储热技术是解决太阳能热利用的间断性和不稳定性问题，保证连续供能的核心技术，也是太阳能热利用领域的薄弱环节。本项目拟解决长周期储热与短周期储热相结合的太阳能供热技术的关键基础理论问题，为提高太阳能供热稳定性、太阳能保证率以及能源综合利用效率奠定理论基础。拟通过实验研究、理论分析和数值模拟方法，研究波动热对流-辐射耦合作用下太阳能短周期重质储热的热过程及其与室内空间正/负热作用机制，提出短周期重质储热的温波方程及储热量化计算方法；研究变负荷工况下长周期-短周期复合储热系统耦合动态热特性，建立长周期储热负荷预测模型；同时，基于BIM平台进行建筑设计与太阳能热利用系统性能参数的协同优化，建立与长周期-短周期复合储热相适应的寒冷地区太阳能多层住宅建筑模式，使太阳能建筑设计实现由 “能源从属于形式”向“形式与能源协调”的转化。预期研究成果将促进太阳能在建筑中热利用理论分析和设计体系的完善。

本项目为解决长周期储热与短周期储热相结合的太阳能热利用技术的关键基础理论问题，具体开展的研究内容及主要结果如下：.（1）短周期波动热对流-辐射耦合作用下太阳能重质储热的热过程。开展了建筑围护结构蓄热性能参数体系的理论研究，确定了建筑围护结构蓄热性能关键表征参数；进行了太阳能短周期重质储热系统热性能的实验研究，获得重质储热体的热边界条件规律及其对室内空气正负热作用机制，建立了短周期重质储热的温波方程；完成了双向与单向波动热作用下围护结构热响应研究，得到墙体内表面温度与热流密度的衰减和延迟规律。.（2）太阳能长周期-短周期复合储热系统动态热特性。建立跨季节水池储热太阳能供暖系统形式及其控制方法；完成了太阳能建筑动态热负荷预测，获得考虑围护结构的蓄热作用的太阳能建筑逐时耗热量；开发一套基于Windoc及Android操作平台的跨季节水池储热太阳能供暖系统设计软件；利用TRNSYS仿真平台获得变负荷工况下跨季节水池储热太阳能供暖系统耦合动态热特性。.（3）基于BIM的长周期-短周期复合储热太阳能建筑系统协同优化。基于建筑信息模型BIM平台，得到中国寒冷气候分区不同地域建筑热工设计策略的差异，为生态建筑的初期设计提供参考；完成寒冷地区太阳能住宅生态化表皮设计研究，提出综合利用太阳能、风、自然光等能量的建筑立面形式；构建了寒冷地区长周期-短周期复合储热太阳能住宅建筑模式，对建筑美学、生态技术和建筑使用功能、经济造价等进行优化。.本项目技术研究成果将促进建筑储热理论分析和设计体系的完善，为提高我国城镇建筑太阳能供暖的稳定性、太阳能保证率以及能源综合利用效率提供理论基础和技术措施。