梅州市某太阳能建筑设计.docx

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1、梅州市某太阳能建筑设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院能源与动力工程吴建成学 号：职 称：160407103241罗绵辉、董觉非工程师、工程师中国珠海二二年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计梅州市某太阳能建筑设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日摘 要在这次设计中，我将探讨利用太阳能建筑一体化技术结合多联机空调系统的技术应用，探讨太阳能技术、建筑设计和多联机中央空调系统的有机结合，让太阳能作为建筑整

2、体的一部分，达到降低建筑能耗，节约资源的效果。此次太阳能建筑一体化设计，通过梅州市当地的气候条件、地理环境特征及周围环境设计建筑外观结构、建筑朝向等，构建被动式太阳房，同时设置太阳能平板集热器加热自来水提供生活用热水，最大化利用太阳能直接式辐射得热；其次进行空调多联机系统设计，为房屋整体进行空气调节及净化，通过使用一种光伏直驱变频多联机结合太阳能光伏发电技术，进一步达到绿色节能、降低电费和建筑能耗得目的。设计包括光伏直驱变频多联机系统和光伏发电技术结合的介绍，被动式太阳房围护结构特点介绍及选择，太阳能热水系统设计。其间通过绘制建筑平面图及系统管路分布图，进行管路系统水力计算，设备选型安装，不同

3、系统间相互配合来完成。关键词：建筑节能设计；太阳能利用；空调设计；多联机系统。AbstractIn this design, I will explore the application of solar energy building integration technology combined with multi split air conditioning system technology, and discuss the organic combination of solar energy technology, architectural design and multi s

4、plit central air conditioning system, so that solar energy as a part of the building as a whole can reduce building energy consumption and save resources. In this integrated design of solar energy buildings, through the local climate conditions, geographical environment characteristics and the surro

5、unding environment of Meizhou City, the building appearance structure and building orientation are designed to build a passive solar house, and at the same time, a solar panel collector is set to heat the tap water to provide domestic hot water, so as to maximize the use of solar energy direct radia

6、tion heat; secondly, the air conditioning multi online system is designed, For the overall air conditioning and purification of the house, through the use of a photovoltaic direct drive frequency conversion multi online combined with solar photovoltaic power generation technology, to further achieve

7、 green energy saving, reduce electricity and building energy consumption.The design includes the introduction of the combination of photovoltaic direct drive variable frequency multi connected system and photovoltaic power generation technology, the introduction and selection of the passive solar ho

8、use envelope structure, and the design of solar hot water system. During this period, the hydraulic calculation of pipeline system, equipment selection and installation, and mutual cooperation between different systems are completed by drawing the building plan and system pipeline distribution diagr

9、am. Key words: building energy saving design; solar energy utilization; air conditioning design; multi connected system.目 录1前言11.1本次设计的目的及意义11.2本设计在国内外发展概况及现状21.3本设计应解决的主要问题22设计概况42.1建筑概况42.2气象参数52.3设计参数52.4围护结构的选择52.4.1外墙的构造材料52.4.2屋面的构造材料52.4.3门窗的构造材料63住宅不同围护结构的逐时冷负荷计算73.1建筑外墙和屋顶冷负荷73.2外玻璃窗传热冷负荷以及

10、外窗日射得热冷负荷73.2.1外玻璃窗传热冷负荷73.2.2窗户太阳辐射冷负荷73.3设备、照明和人体散热形成的冷负荷83.3.1电热设备散热形成的冷负荷计算83.3.2不同照明设备散热形成的冷负荷计算93.3.3人体散热形成的冷负荷计算93.4房间冷负荷计算举例103.4.1外墙冷负荷103.4.2外窗冷负荷计算113.4.2.1窗传热冷负荷113.4.2.2窗辐射冷负荷113.4.3照明得热冷负荷123.4.4设备散热冷负荷123.4.5人体散热得热冷负荷133.5湿负荷的计算154空调系统设计174.1空调系统的基本概念174.2系统简介175空调设备的选择225.1室内机选型225.2

11、室外机选型225.3室内管路设备分布平面图图236太阳能被动式建筑原理介绍246.1被动式太阳能热利用的分类256.2此次设计住宅中的太阳能被动式热利用256.3举例此次太阳能被动式结构设计256.3.1外窗的保温措施266.3.2外墙及屋面保温措施286.4此次太阳能被动式结构设计的实际意义297太阳能光伏发电系统利用307.1光伏发电系统与建筑结合介绍307.2太阳能光伏发电系统的分类及组成307.2.1太阳能光伏发电系统的组成307.2.2太阳能光伏发电系统的分类317.3太阳能光伏发电系统类型选择318太阳能热水系统设计328.1太阳能热水系统组成分类338.2热水系统的负荷计算348

12、.2.1太阳能热水系统的设计小时耗热量和热水量计算348.2.2设计小时热水量348.3集热器面积的确定计算358.3.1太阳能集热器设置规则368.3.2太阳能集热器特点与选择368.4容积式水加热器（辅助热源）耗热量计算378.5蓄热水箱的确定计算378.6热水循环系统管路设计378.6.1集热系统循环流量计算388.6.2热水供应系统流量计算388.6.3管路循环水力计算388.6.4循环泵的选择计算409总结4310参考文献4511致谢46附录471 前言太阳能建筑一体化是现代社会建筑设计中常用的节能技术。对于这种一体化设计是将目前多样的太阳能的利用方式与建筑设计结合起来，把建筑、技术

13、和美学融为一体，让这些设施成为建筑构造中的一份子，通过一些建筑工艺来实现这种一体化，取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑的外观形象的影响。在我国有着丰富的太阳能资源，而太阳能作为一种可再生的绿色清洁能源，在住宅建筑中利用，对我国可持续发展有着长远意义。其中建筑光伏系统一体化，BIPV就是将各种光伏材料与建筑材料通过一定的工艺手法结合起来，实现建筑美学与太阳能利用结合的一种技术手段。同时在本设计中利用太阳能建筑一体化和多联机空调系统相互结合，即能够进行空气调节，净化空气环境，又降低建筑能耗，提升人民居住舒适度。本次设计旨在通上述太阳能建筑一体化技术与空调系统结合，达成一种外形符合建筑美学又节能环

14、保的新型住宅。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求在现代社会中，太阳能建筑一体化技术在城市中的应用成本相对较大，一些从事太阳能研发企业与房地产企业之间是有着一定利益冲突的。目前很多太阳能企业不愿和房地产开发商合作。因为在工程设计中建筑太阳能一体化的建筑，建造成本比普通住宅要高，若不抬高售价，这部分成本需房地产开发商自掏腰包来承担；而若售价提高，则会带来潜在市场风险，这种单方面的投资模式使开发商对太阳建筑一体化的开发热情并不高。但是在城乡地区，开发成本、维修成本低，交通不会堵塞，人工也便宜。而且，城乡地区普遍建筑楼层不高，日照面积充足，可利用的太阳能资源也相对丰富。同时这一切使得在城乡地区

15、建造太阳能建筑难度变低，为城乡地区开发太阳能建筑的可行性提供了必要条件。通过太阳能建筑一体化，可有效利用城乡地区优越气候条件及丰富太阳能资源，降低水、电等生活成本，提高效益的同时，也能改变当地能源消费结构。因为在乡村地区用能水平低，平均生活用电量不到100kWh，能源消费结构以煤为主，这种能源消费结构过度的消耗我国自然资源且能源使用效率低下。太阳能建筑一体化能有效改变农村能源消费结构，利用太阳能、风能等清洁能源，“变废为宝”，建造生态家园、生物链循环经济，可大大缓解农村能源不足和污染严重的难题2。本设计采用太阳能光伏直驱变频多联机结合光伏发电系统、太阳能被动式结构设计、太阳能卫生热水系统等技术

16、，通过智能化的控制管理系统，提供环保、节能、满足人们的舒适生活需要的居住环境，最大化利用太阳能的特性，实现节能减排，绿色低碳，降低建筑能耗。在用电方面，可以实现全年发电与用电量持平，综合零电费。在建筑设计上，通过外围建筑围护结构的吸热、透光和保温等措施，来减少室内热量的损耗，提升能源利用率，体现绿色节能的建筑风格，并能达到改善当地能源消费结构，减少环境污染，实现可持续发展的战略目的。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题先说国外，国外的太阳能建筑一体化研究起步较早，重视时间也早，比如说美国，在这一产业已经发展比较成熟，甚至已经成为产业链，一些相关专业从业人员也有相对成熟的经验和技术。我们通

17、过国外一些经典建筑案例来了解。首先是德国一种零能量住宅，该建筑通过朝南设计的是扇形平面，增大的受热面积相应的太阳能辐射得热效果大大增加，能获得大量太阳辐射热能。其外墙表面采用储热能力较好的灰砂砖、拥有良好隔热性能的各式装饰材料，这种能够储存热量的保温材料能够让该建筑在冬季实现一定程度的保温效果，优秀的隔热材料能够让建筑内在夏季保持凉快通风的室内环境。然后在日本有一种环境生态的高层住宅。这样一幢环境生态高层住宅，它通过风力发电车将风能转化为电能来为建筑供电，热水由太阳能辐射集热板加热工质水来供给。这种高层住宅配备一种太阳能收集器，在天气晴朗的情况下，可通过太阳能辐射传热使储热水箱中的水被加热，甚

18、至能达到当地大气压下的沸腾状态；而在阴雨天气等光照不足的情况下，也能通过集热器优秀的传热性能将水加热到约55，且在每户家庭的阳台上都配备垃圾处理机，能将各个家庭的生活垃圾进行相应处理变成对生产发展有用的肥料，实现废物再利用。还有分隔每间房间的每面墙壁上都设有通风口，配备适应房间新风、散热、祛湿等负荷的通风设备，使每个房间都能形成良好的通风。通过上文描述可以了解到，国外的太阳能建筑一体化利用技术已有相当长的时间积累，技术也相对成熟，并且有许多成功的案例。再说国内，我国虽然在太阳能利用，光伏发电等太阳能建筑一体化这一块研究较晚，在该方面研究应用没有国外成熟，但政府已开始重视，大力开发太阳能建筑一体

19、化，并且投入大量资金以及技术扶持，而且已经取得多项重大突破。最明显的进步就是08年奥运会体育场馆的建设，是太阳能建筑一体化中光伏技术的应用，并取得了非常好的效果。总的来说，国内外的发展趋势是日趋光明的，各个国家都投入了大量的人力物力财力。虽然太阳能建筑一体化技术能有效解决能源短缺问题，节能且提高能量利用率，但是由于建造成本、维修费用高，投资回收周期长等造成初期投资成本较大，节能潜力巨大的同时，全面的经济性尚需考量的同时，在建筑设计中要符合的相应美学和各种太阳能利用之间仍存在一定矛盾。所以，将太阳能利用与建筑设计结合，并形成节能效益是设计师以及工程师们日后一直需要攻克的问题。41.3本设计应解决

20、的主要问题a、 通过当地地理环境及气候条件，完成住宅多联机中央空调系统的设计与选型，其中还有光伏建筑一体化的设计与建筑设计的结合； b、 利用太阳能房屋被动式建筑结构设计最大化利用太阳能辐射，为房屋冬季提供良好的保温措施，设计太阳能热水系统；c、 通过以上设计来改善农村地区能源消费结构，利用更清洁的能补足日常生活的能源需求，降低建筑能耗，减少污染排放，贯彻“节约资源”基本方针，降低生活2设计概况2.1建筑概况本次设计的建筑位于广东省梅州市，本栋建筑是一栋二层的太阳能节能别墅，其中一层为客厅、三个卧室、四个卫生间、客厅大门、厨房、储藏间、办公室、多功能健身运动练舞房；二层包含客厅、三个卧室、四个

21、卫生间、厨房、餐厅、多功能影音室；其中空调房间面积为298.93m2，建筑总面积为318.84m2。相关建筑平面图如下所示。 图2.1 一层平面图 图2.2 二层平面图2.2气象参数表2.1 气象参数夏季空调室外干球温度夏季空调室外湿球温度夏季空调室外计算日平均温度35.127.230.6夏季室外平均风速(m/s)夏季空调大气透明度等级夏季室外大气压(Pa)1.25996302.3设计参数表2.2 设计参数计算参数夏季参数室外干球温度（）35.1室外湿球温度（）27.2空调计算温度（）27空调相对湿度（%）60最热月平均相对湿度（%）60室外平均风速（m/s）1.22.4围护结构的选择2.4.

22、1外墙的构造材料表2.3 外墙参数材料名称：钢筋混凝土墙(挤塑聚苯板)厚度(mm)传热系数K(w/(m2k)粉刷石膏抹灰压入网格布2991.048挤塑聚苯板钢筋混凝土白灰砂浆2.4.2屋面的构造材料表2.4 屋面参数材料名称：屋面(保温砂浆)厚度(mm)传热系数K(w/(m2k)卷材防水层1641.486水泥砂浆1保温砂浆1钢筋混凝土2.4.3门窗的构造材料此次设计住宅的门为木框双层玻璃门，其传热系数为2.5W/(m2K)；门的高度统一为2.1m，宽分别为1.1m、2.2m、2.1m。而该栋住宅的窗材料如下表所示表2.5 窗参数材料PVC塑料Low-E中空玻璃传热系数2.00内遮阳系数0.65

23、玻璃传热系数2.00玻璃遮阳系数13住宅不同围护结构的逐时冷负荷计算3.1建筑外墙和屋顶的逐时冷负荷外墙以及屋面的逐时冷负荷计算公式：Qc=AKtc-tR（式3.1）式中： 3.2外玻璃窗传热冷负荷以及外窗日射得热冷负荷3.2.1外玻璃窗传热冷负荷窗户传热冷负荷得计算公式如下：Qc=AwKwtc-tR（式3.2） 式中： 3.2.2外窗日射得热冷负荷外窗通过日照辐射得热形成的冷负荷计算公式：Qc=CsCnCaF1Jch.zdCLQ+Fch-F1Jsh.zdC(LQ)N（式3.2）式中： 3.3设备、照明和人体散热形成的冷负荷计算3.3.1电热设备散热形成的冷负荷计算不同种类的设备以及用具散热形

24、成的冷负荷的计算公式：Qc=QsCLQ（式3.4）式中： 电热设备的散热量计算公式：Qs=n1n2n3n4N（式3.5）式中：3.3.2不同照明设备散热形成的冷负荷计算不同款式的照明设备冷负荷计算公式如下：白炽灯冷负荷计算公式：Qc=1000NCLQ（式3.6）荧光灯冷负荷计算公式：Qc=1000n1n2NCLQ（式3.7）式中： 3.3.3人体散热形成的冷负荷计算人体散热形成的冷负荷计算公式：Qc=qsnCLQ（式3.8） 式中： 3.4房间冷负荷的计算举例以住宅二楼的主卧为例，各项冷负荷的计算结果如下所示。该房间的外墙传热系数为1.048W/m2K，屋面传热系数为1.4900W/m2K，根

25、据民用建筑供暖通风与空气调节设计规范5得类型4外墙冷负荷逐时计算温度，同时下文中所有的相关文献、规范等都是此规范。按式（3.1）计算，结果见下表：表3.1 东外墙逐时冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00t（）7.27.37.78.28.89.39.810.110.310.510.710.710.7A（m2）19.819.819.819.819.819.819.819.819.819.819.819.819.8K（W/m2）1.0481.0481.0481.0481.0481.0481.0481.

26、0481.0481.0481.0481.0481.048Qc（）（W）149151160170183193203210214218222222222表3.2 北外墙逐时冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00t（）7.37.17.06.97.07.17.37.57.98.49.09.610.1A（m2）14.614.614.614.614.614.614.614.614.614.614.614.614.6K（W/m2）1.0481.0481.0481.0481.0481.0481.0481.0481

27、.0481.0481.0481.0481.048Qc（）（W）112109107106107109112115121129138147155表3.3 屋面逐时冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00t（）14.714.013.412.812.412.112.112.212.613.113.814.615.3A（m2）15.215.215.215.215.215.215.215.215.215.215.215.215.2K（W/m2）1.491.491.491.491.491.491.491.491.

28、491.491.491.491.49Qc（）（W）340.6325.1307.3289.6269.6254240.7231.8227.4229.6238.5251.8269.63.4.2外窗冷负荷3.4.2.1外窗逐时传热冷负荷 Kw=2.0W/m2K根据GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范5得出CLQ，计算得出t，按公式3.2计算的如下结果。表3.4 东外窗逐时冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00t（）2.63.23.84.55.15.55.85.85.75.55.14.

29、53.9A（m2）2.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.88K（W/m2）2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0Qc（）（W）15.018.421.925.929.431.733.433.432.831.729.425.922.5表3.5 北外窗逐时冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00t（）2.63.23.84.55.15.55.85.85.75.55.14.53.9A（m2）2.882.882

30、.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.88K（W/m2）2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0Qc（）（W）15.018.421.925.929.431.733.433.432.831.729.425.922.53.4.2.2窗日照辐射得热冷负荷因为单层钢窗有效面积Ca=0.85，所以窗的有效面积计算为40.85=3.4m2，根据GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范5查得东、北外窗相关参数Jch,zd、Jsh,zd 以及东、北向的CLQ值，按式（3.3）计算，结果见下表：表3.6 东外窗太

31、阳辐射形成的冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00Jch,zd（W/m2）620635536374181178165147113772200F1（m2）2.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.45CLQ0.390.520.580.570.210.220.230.220.20.180.140.10.08Cn0.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.65Ca0.850.850.850.

32、850.850.850.850.850.850.850.850.850.85Jsh,zd(W/m2)9312013614714914713612093631900Fch(m2)2.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.88（CLQ）0.470.580.630.670.740.790.820.820.790.750.640.350.28Qc（）(W)395542515363879087755333800表3.7 北外窗太阳辐射形成的冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:001

33、8:0019:0020:00Jch,zd（W/m2）2202242081971911972082242201937900F1（m2）2.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.452.45CLQ0.390.520.580.570.210.220.230.220.20.180.140.10.08Cn0.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.650.65Ca0.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.850.85Jsh,zd(W/m2)931201361

34、4714914713612093631900Fch(m2)2.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.882.88（CLQ）0.470.580.630.670.740.790.820.820.790.750.640.350.28Qc（）(W)1472022122029097103102886721003.4.3照明得热冷负荷在这次设计中，二楼主卧房间的照明灯选择款式为暗装荧光灯，镇流器安装在房间顶棚，根据规范查得n1=0.8,n2=0.8，设计荧光灯功率为N=100W，通过式（3.5）计算，结果见下表：表3.8 照明得热冷负荷时间8:009:00

35、10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00CLQ0.180.160.150.140.120.110.090.080.060.050.030.010.00n10.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.8n20.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.8N(W)100100100100100100100100100100100100100Qc（）(W)11.510.29.697.775.85.13.83.21.90.603.4.4设备散热冷负荷n1=0.6,n2=0

36、.8,n3=0.5,n4=0.5,N= 1880W，根据民用建筑供暖通风与空气调节设计规范5得CLQ值，按式（3.5）计算如下表所示。表3.9 设备散热冷负荷时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00n10.60.60.60.60.60.60.60.60.60.60.60.60.6n20.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.80.8n30.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5n40.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50

37、.50.50.5N(W)1880188018801880188018801880188018801880188018801880Qs(W)225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6225.6CLQ0.020.020.450.670.420.300.230.180.150.130.120.100.08Qc（）(W)3.83.8101.5150.494.067.752.641.433.830.126.322.618.83.4.5人体散热冷负荷通过文献规范中了解，此次设计住宅中人类活动属于极轻劳动，在设计室温为27时，差规

38、范得此次人体散发的潜热和显热分别的值为77W，57W5。相应的群集系数为0.93，根据民用建筑供暖通风与空气调节设计规范5查得CLQ的值，通过式（3.8）计算得，计算结果见下表：表3.10 二层主卧的人体散热产生冷负荷计算汇总时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00CLQ0.930.510.190.140.120.100.090.080.070.060.050.050.04qs(W)57575757575757575757575757n22222222222220.930.930.930.930.930.

39、930.930.930.930.930.930.930.93Qc（）(W)99.55420.114.812.710.69.58.57.46.45.35.34.2ql(W)143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2143.2Qc（）(W)242.3196.8163157.7155.5153.4152.4151.3150.3149.2148.1148.1147.1通过计算二楼主卧外围护结构的各项逐时冷负荷结果见下表：表3.11 二层主卧外围护结构逐时负荷汇总时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00东外墙负荷(W)149151160170183193203210214218222222222北外墙负荷(W)112109107106107109112115121129138147155屋面负荷(W)340.6325.1307.3289.6269.6254240.7231.8227.4229.6238.5251.8269.6东外窗负荷(W)15.018.421.925.929.431.733.433.432.831.729.425.922.5北外窗负荷(W)15.018.421.925.929.431.