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        基于太陽輻射量最大化的坡屋頂坡度設(shè)計優(yōu)化

        2013-12-23 05:17:20李運江王安琪
        關(guān)鍵詞:輻射量集熱器傾角

        范 波 李運江 王安琪

        (1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)研究所,湖北宜昌 443002;3.鄂西山地城鎮(zhèn)建設(shè)與發(fā)展三峽大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002;4.三峽旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北宜昌 443002)

        建筑屋頂作為建筑的第五立面以及民用建筑中利用太陽的重要場所,越來越被建筑設(shè)計師所重視,因此如何在屋頂設(shè)計中采用合適的坡度來使嵌入屋頂?shù)奶柲芗療崞骼眯首畲蠡蔀樗媾R的一個問題,特別是在坡屋頂?shù)脑O(shè)計中.《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50364-2005)4.43條規(guī)定:集熱器的安裝傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢?;如?cè)重夏季使用,則安裝傾角在當(dāng)?shù)鼐暥然A(chǔ)上減10°;如側(cè)重冬季使用,則安裝傾角在當(dāng)?shù)鼐暥然A(chǔ)上加10°[1].本文以湖北省宜昌市花林寺鎮(zhèn)福利院項目的坡屋頂設(shè)計為例,通過對太陽能集熱器不同安裝傾角進(jìn)行表面太陽輻射量、月以及年吸收熱量的模擬分析比較,來確定宜昌地區(qū)的集熱器最佳水平安裝傾角,從而得到該地區(qū)的坡屋頂最佳水平設(shè)計傾角.本項目位于湖北省宜昌市遠(yuǎn)安縣花林寺鎮(zhèn),基地為狹長帶形(如圖1所示),基地緯度為北緯30°1′,受基地限制,建筑朝向為南偏東42°(方位角為48°).擬在南向灰色的坡屋頂上安裝嵌入式一體太陽能集熱器.

        圖1 總平面圖

        1 太陽輻射量的模擬與分析

        本次分析采用Autodesk Ecotect Analysis軟件,經(jīng)過軟件模擬仿真,得出結(jié)果并針對集熱器不同安裝角度下的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析[2],從而找到適合本項目朝向的最佳坡屋頂水平設(shè)計傾角.

        1.1 模型設(shè)置

        本次分析采用軟件內(nèi)置的宜昌市氣象資料,建模采用1m×1m×3m 的建筑模型,屋頂嵌入式集熱器尺寸為1m×1m,屋頂傾角參考規(guī)范設(shè)置了6個角度(如圖2所示),分別為0°(平屋頂)、20°(規(guī)范:側(cè)重夏季)、25°、30°(規(guī)范:和基地緯度一致)、35°、40°(規(guī)范:側(cè)重冬季).

        圖2 模擬仿真模型

        1.2 集熱器表面太陽直接輻射量的模擬及驗算

        1.2.1 計算機(jī)仿真模擬數(shù)據(jù)

        根據(jù)模擬數(shù)據(jù)(如圖3所示),經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)(如圖4所示),集熱器0°即水平安裝時,表面受到年太陽直接輻射量最大,25°次之.

        圖3 集熱器在各個傾角條件下獲得的年太陽直射輻射量

        圖4 集熱器表面年太陽輻射量對比

        1.2.2 太陽直射輻射強(qiáng)度HB驗算[3-4]

        根據(jù)К Я Кондратъев的理論[5],傾斜面上太陽直接輻射量應(yīng)為

        上面各式中,θ 為集熱器水平傾角;γn為集熱器的方位角;φ為地理緯度;δ 為太陽赤緯角,由Cooper公式給出:

        式(3)中,n為一年中某一天的日序,各月代表日的日序由表1給出.

        表1 各月代表日序

        式(2)中,ωo為水平面的日升時角;ωc,s為傾斜面上的日落時角;ωc,r為傾斜面上日升時角.其中ωo為

        下面以1月份30°安裝時集熱器表面太陽直接輻射量計算為例進(jìn)行分析:集熱器方位角γn=48°,φ=30°,θ=30°,對于冬半年(即δ<0),這時ωc,s=ωo,ωc,r=-ωo.

        利用ECOTECT 模擬出1 月份30°安裝時集熱器表面太陽直接輻射量為43 517.44W·h/m2(如圖5所示).通過與理論計算值的對比,證明軟件仿真模擬過程是可信的.

        圖5 30°安裝時1月集熱器表面年太陽輻射量

        1.3 集熱器吸收熱量的模擬

        利用Ecotect對集熱器逐月吸收太陽熱量進(jìn)行了模擬計算,得到了如圖6所示結(jié)果.

        圖6 集熱器逐月吸收熱量對比

        根據(jù)模擬數(shù)據(jù),經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)(如圖6所示),在夏季(6.1~8.31)時,集熱器逐月得熱量隨傾角增大而減?。欢荆?1.1~2.28)時,集熱器逐月得熱量隨傾角增大而增大.這與規(guī)范的規(guī)律是相符合的.

        通過對集熱器年累積吸收太陽熱量對比發(fā)現(xiàn)(如圖7所示),集熱器25°安裝時年吸收輻射量最大.

        圖7 集熱器年吸收熱量對比

        2 模擬結(jié)果分析

        通過對不同安裝角度下集熱器表面太陽輻射量與月、年吸收熱量的對比,在以年為單位并只考慮集熱器吸收熱量的情況下,集熱器水平安裝角度為25°時效率最高,因此,本項目南向坡屋頂坡度設(shè)計為25°時能夠使嵌入式太陽能集熱器帶來最大的效率.(考慮到工程施工精度未向更細(xì)的角度進(jìn)行模擬)

        圖8 年太陽直接輻射量與集熱器吸收輻射量對比

        集熱器水平(0°)安裝時表面所受太陽輻射最大,但集熱效率反而是25°安裝時最大,如圖14,原因在于在以年為單位的工作過程中,春、秋、冬季0°安裝時的吸收輻射量要比其他角度小的多,且集熱效率還受到集熱器自身材料的熱工性能如導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)等與太陽高度角變化的復(fù)合影響.

        3 結(jié) 語

        通過基于太陽輻射量的分析仿真,為建筑設(shè)計師對坡屋頂?shù)脑O(shè)計優(yōu)化提供參考,希望這種利用計算機(jī)仿真技術(shù)的方法能夠在建筑設(shè)計方案階段簡便快捷的得出某地區(qū)的最佳坡屋頂坡度,從而達(dá)到使建筑既美觀又實用的目的.

        [1] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

        [2] 云 朋.ECOTECT 建筑環(huán)境設(shè)計教程[M].北京:中國建筑工業(yè)出社,2007.

        [3] 楊金煥,毛家俊,陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算[J].上海交通大學(xué)報,2002,36(7):1032-1036.

        [4] 唐潤生,呂恩榮.集熱器最佳傾角的選擇[J].太陽能學(xué)報,1988,9(4):369-375.

        [5] K.Ya.Kondratyev.Radiation Resime of Inelined Surfaees[M].Worid Meteorologieal Orgnization,1977:467.

        [6] S.A.Klein.Caleulation of Monthly Average Insolation on Tilted Surfaee[J].Solar Energy,1977,19:325-329.

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