建筑环境设计模拟分析软件DeST第4讲建筑热过程中的太阳辐射相关模型

太阳辐射是影响建筑热状况的重要外扰，在建筑热过程分析时，必须加以准确的考虑。太阳辐射可以被不透明建筑围护结构表面吸收，也可以直接透过建筑的半透明围护结构进入室内，这就需要解决两个问题：有多少太阳辐射量能够到达建筑的表面；到达半透明围护结构表面的太阳辐射有多少能够穿过半透明围护结构直接进入室内。详细介绍了DeST在建筑动态热过程分析中，与建筑表面吸收太阳辐射情况密切相关的建筑表面阴影计算方法和散射辐射的考虑方法，并对半透明围护结构的辐射透过模型与传热模型进行了细致分析。     

住宅室温模拟和实测数据的一致性分析

通过对住宅内某个测试房间模拟计算室温与实测室温的一致性分析,研究了天空背景辐射、太阳辐射、邻室室温等扰量对室内热状况的影响程度,并反推计算得到了测试房间与室外的逐时通风换气量。同时,一致性分析又说明了模拟软件DeST反映住宅室内热状况变化规律的准确性和合理性。     

EnergyPlus与DeST的对比验证研究

在相同的内外扰量和空调运行方式下,采用EnergyPlus和DeST软件对同一建筑进行逐时冷热负荷计算,结果存在差异.分析发现主要原因是两个软件的热模型存在差异,说明通过围护结构表面的传热计算方法和相邻房间的邻室传热模型对负荷计算结果有重要影响.     

上海建筑各朝向外窗遮阳卷帘光热分析及优选

为分析上海地区建筑外窗遮阳的采光、得热特性,本文建立上海地区遮阳建筑模拟分析模型,利用Energy-plus软件,分析不同透光、隔热性能的外遮阳卷帘对建筑各朝向房间的太阳辐射得热和建筑采光的影响;最后,分析了6种不同性能的外遮阳卷帘对各朝向照明能耗和空调能耗的影响;结果表明,东、南、西三个朝向采用外遮阳卷帘可以减小照明和空调综合能耗;而北向房间由于其太阳直射和散射的分布特点使得不同性能的遮阳卷帘下照明、空调综合能耗有增有减,其中使用中反射率中透过率卷帘的节能效果最明显;而使用低透过率的卷帘会使得房间综合能耗增加,尤其是低反射率低透过率的卷帘比无遮阳时多耗能12.3%。     

辐射时间序列法中射入室内的太阳辐射分配算法对辐射供冷房间负荷计算适宜性的探讨

针对西安地区典型公共建筑,采用EnergyPlus软件对辐射供冷房间负荷特性进行模拟,研究了不同的射人室内的太阳辐射分配算法对辐射供冷房间负荷计算结果准确性的影响,对辐射时间序列法中太阳辐射分配算法准确性的影响因素进行了敏感性分析,探讨了该方法中的太阳辐射分配算法用于辐射供冷房间负荷计算的适宜性.研究结果表明辐射时间序列法中的太阳辐射分配算法对地板辐射供冷房间峰值冷负荷有过高估计倾向;在该算法下,地板辐射供冷房间冷负荷计算结果的准确性对于地板对太阳辐射的吸收率最为敏感,对于窗墙比比较敏感,对于外窗朝向不敏感.对于顶板辐射供冷房间,辐射时间序列法中的太阳辐射分配算法对负荷计算结果准确性的影响较小,可直接应用.     

典型建筑幕墙开窗通风的CFD计算

应用基于CFD的数值风洞技术对某幕墙建筑房间单元的通风特性进行了分析,气流的计算采用标准k-ε湍流模型,模拟结果表明,在幕墙的凹面倒边开窗比在幕墙正面开窗具有更佳的通风效果。     

呼吸式玻璃幕墙在寒冷地区的应用

以天津市某采用呼吸式玻璃幕墙的节能建筑为研究对象,采用热流计测量计算了呼吸式玻璃幕墙的传热系数.对向阳面、背阳面的房间、玻璃幕墙空气层及室外温度进行了测量.在寒冷地区的冬季,可利用太阳辐射加热空气层,减少房间基本耗热量.在供暖期刚结束时,能使室内温度保持在较舒适的范围内.     

温和气候区单层与双层玻璃幕墙节能评价

玻璃幕墙在现代建筑中应用广泛。玻璃幕墙设计不仅立足现代化的建筑外观,更要达到节能目的。一方面,太阳辐射能够透过玻璃幕墙进入室内,补偿建筑的采暖能耗,另一方面,大面积玻璃幕墙也可能带来室内过热问题。本文研究了两种幕墙系统的能源平衡问题,一种是单层双玻幕墙,另一种是双层通风玻璃幕墙,以实验测试为基础对其进行节能评价。     

散热末端质调节优化的模拟分析

保证热量供需一致是供热系统运行调节的主要目标。鉴于模拟分析对建筑热惯性作用下热扰量影响的动态特性的全面反映,本研究基于建筑热环境模拟软件DeST,从房间散热末端供水温度调节的角度,尝试分析建立散热末端供热质调节优化的构造方法,并通过具体案例对供水温度优化调节的构造方法的应用加以分析说明。结果表明,本研究所提出的散热末端供热质调节优化的构造方法可将房间室温基本稳定在设计范围内。同时,基于该构造方法所得到的供水温度模式对房间室温调节的理想程度会受到室内热扰和太阳辐射得热、最终归结为室内外通风换气的影响。通风换气对室温影响的加大会降低建筑线性热力系统假设的准确度,进而使得所确定的供水温度模式并未实现真正的优化。但即使在此情况下,仍可采用日平均供水温度随加权平均外温线性变化的供水温度模式实现对房间室温调节的优化。本研究对于优化供热系统的运行调节以及促进供热系统节能具有较强的工程应用价值。     

太阳能烟囱强化自然通风的数值模拟

太阳能烟囱的应用可以加强太阳能自然资源的利用,削减不可再生能源的耗费。本文通过使用数值模拟的方法对太阳能烟囱房间的气流流动进行了模拟分析,特别研究了太阳辐射量、环境温度以及太阳能烟囱截面宽度对房间通风量的影响。数值模拟计算结果与理论计算结果吻合很好,为加强房间通风效果提供了理论依据。     

高层建筑非透明围护结构太阳辐射的计算

太阳辐射是影响夏热冬暖地区高层建筑能耗的重要因素.为此,发展了计算建筑非透明围护结构太阳辐射的方法,计算中考虑到太阳直射辐射、天空散射辐射、地面反射辐射和大气长波辐射的作用,还考虑了建筑群的自遮挡和互遮挡.计算了一组周边型分布的高层建筑屋顶和东、南、西、北外墙的太阳辐射热流的逐年变化和逐时变化.     

干热干冷地区围护结构热工设计对内表面温度及室内热舒适的影响

为了分析干热干冷地区围护结构热工性能对室内热环境的影响,采用物理环境实测结合动态模拟方法对比分析了2组墙体的保温、蓄热性能对内表面温度的影响,并结合太阳辐射季节变化探究了太阳辐射吸收比对室内热舒适的影响。研究表明:实测结果与模拟结果吻合较好,对于干热干冷地区,提高围护结构蓄热性能能够降低夏季内表面温度,对冬季内表面温度影响不大;提高围护结构保温性能可以提升冬季内表面温度,同时引起夏季内表面温度升高,对夏季降温产生不利影响;围护结构月平均得热差值与太阳辐射月累计值显著相关,降低外表面太阳辐射吸收比有利于该地区建筑全年热环境的提升。     

反射隔热涂料热工计算方法研究

反射隔热涂料在夏热冬冷和夏热冬暖地区已有很多应用。试验证明,在屋面和外墙表面使用隔热涂料可以在夏季有效降低内表面温度,提高室内舒适度,降低空调耗电量。将有效传热系数法应用于反射隔热涂料的热工计算,该方法不仅考虑了太阳辐射吸收系数、半球发射率等重要参数,还充分考虑了当地气候状况的影响。针对武汉地区某实际项目,采用有效传热系数法对反射隔热涂料的传热性能进行了计算分析,结果表明该方法可以体现反射隔热涂料对墙体传热性能的影响,是较为科学合理的隔热涂料热工计算解决方案。     

光热建筑一体化Trombe墙体系统传热性能

为了改善建筑围护结构的保温隔热性能和利用太阳能,提出了一种光热建筑一体化Trombe墙体系统,建立了实验墙体和模拟计算模型,并对墙体系统的热传递性能进行了实验测试和模拟分析。研究结果表明:实验工况下集热板、主墙层外侧和内侧最高温度测量值分别为91.3、57.9、23.4℃,模拟值为88.4、58.3、17.2℃,墙体系统在冬季具有较好的保温性能;太阳辐射作用下,墙体系统的各材料层均产生竖向温度差,实验工况下竖向温度差为集热板17.9℃、主墙层外侧31.7℃、主墙层内侧2.2℃,模拟值为集热板17.2℃、主墙层外侧21.9℃、主墙层内侧1.2℃;墙体系统各材料表面的竖向温度差随太阳辐射照度增加而增大,随空气夹层厚度增大而减小。     

特朗贝墙体冬季集热性能的计算及预测

特朗贝墙体的集热性能对特朗贝墙式被动式太阳能建筑的热性能具有重要影响。本文借助计算程序采用一维热网络模型对特朗贝墙体的集热性能进行了分析计算,计算中考虑了被绝大多数同类研究忽略的空气间层内玻璃盖板侧的自然对流换热,以及玻璃盖板与吸热面的辐射换热。在被动式太阳能建筑中用实测值对被动式太阳房的热性能进行了验证;并基于此计算方法,对特朗贝墙式被动式太阳能建筑的热性能进行了讨论。     

Five-year data of measured weather,energy consumption,and time-dependent temperature variations within different exterior wall structures

This paper presents coherent 5-year measured data that have been gathered for analyses of building energy consumption and thermal performance of exterior walls. The data is also very suitable for calculations and simulations of heating and cooling energy need of buildings. The data was collected from six identical test buildings, having exterior walls that are constructed of different building materials. The data include the following: indoor–outdoors temperatures; temperatures at various depths within the northern, southern, eastern, and western exterior wall facades; indoor–outdoors relative humidity, heating energy, wind speed and direction; air tightness, infiltration, and horizontal global solar radiation. A computer system (data logger) was used to monitor, check, calculate, integrate, and save the data acquired from approximately 520 sensors in each test building. Measurements were taken with a time interval of 20 s. The 20 s values were then integrated over a time interval of 30 min and the minimum, maximum, and mean values were subsequently stored to a computer database. Analyses of the results indicated that temperatures within the buildings’ exterior walls are constantly changing and, that occasionally the flow of conduction heat is reversed (i.e. outside–inside) due to solar radiation. For accurate results of temperature distribution and the actual heat losses through building envelopes, none steady-state calculations are essential. Depending on the intensity of solar radiation and the material characteristics of the walls, temperature gradient at the inner surfaces of exterior walls may become milder compared to that of the outer surfaces.     

A simple procedure for selection and sizing of indirect passive solar heating systems

Equivalent sol-air temperatures have been defined for four indirect gain passive solar heating concepts, namely, mass wall, water wall, Trombe wall and solarium. Steady state thermal efficiencies have also been defined as a measure of the ability of each system to deliver heat into the living space.

Design curves have been developed which relate the average instantaneous solar radiation incident on the passive element to thermal efficiency for different values of ambient temperature. These curves are useful in selection of an appropriate passive heating concept for a particular location.

It is inferred that a solarium is most effective at very low levels of incident radiation and low ambient temperature. Water walls and Trombe walls are most efficient at higher levels of incident radiation.

A simple procedure has been developed for a first approximation of sizing the selected system using these design curves and a minimum of meteorological information, namely, monthly average of daily global solar radiation, monthly average maximum and minimum ambient temperatures.     

平板太阳能集热器与墙体不同一体化形式分析

针对平板型太阳能集热器与建筑墙体一体化结构,在贴合式和分离式2种结合方式下,以上海地区典型气象年的典型气象日作为外扰参数,使用状态空间模型对二者的传热特性进行了研究。研究结果表明:2种形式的一体化结构的集热器以及单一集热器的出口温度和有效得热量相互差别均很小。三者出口温度最大差值为0.15℃。夏季时,分离式和贴合式一体化结构全天有效得热量分别占单一集热器的99.89%和97.22%,贴合式一体化结构集热器出口温度和有效得热量都比分离式低。而冬季则相反,且该比例为99.26%和106.65%。夏季时,分离式和贴合式一体化结构通过围护结构的传热量分别占单一墙体的90.83%和40.53%。而在冬季,该比例为96.66%和11.12%。2种一体化结构均能减弱室外气象参数波动对墙体内壁面热流的影响。尤其是贴合式,冬季内壁面热流的波动幅度仅占单一墙体的9.75%。     

夏热冬冷地区外墙遮阳对建筑热环境与空调能耗的影响

介绍了夏热冬冷地区外墙遮阳在建筑中的实际应用,并从墙体受太阳辐射热影响的机理,阐述了外墙遮阳对室内热环境与建筑空调能耗的影响。以南京地区一栋典型居住建筑为例,使用清华大学开发的建筑能耗模拟软件DeST—h,模拟并分析了对于两种不同构造的外墙,分别通过采取外遮阳措施,减小外表面太阳辐射吸收系数对夏季室内热环境和空调能耗的影响程度,并用实验方法对模拟结果进行了辅证。     

Modellierung von kurzwelliger solarer Strahlung bei der hygrothermischen Bauteilsimulation – numerische Lösung und analytischer Ansatz

Modelling of shortwave solar radiation within the hygrothermal simulation of building envelope parts – numerical solution and analytical approach. This article presents a model for the determination of shortwave solar radiation on building envelope parts, which is – based on measured weather data of direct and diffuse solar radiation on a horizontal surface – suitable to be integrated in computercodes for hygrothermal building part simulation. Therewith, firstly a well‐rounded concept has been worked out, which allows to calculate the radiation flux on any orientated and sloped wall or roof construction at any location taking into account the self‐shading. Furthermore, there is presented an analytical approach for the same problem that is suitable to perform sensitivity analyses with in an easy way. At the end of the article, an example calculation of a wall construction orientated into different directions is presented.