大型公共建筑屋面太陽能技術(shù)的應用研究

【摘要】：隨著我國能源匱乏與建筑高能耗矛盾的不斷加劇，大型公共建筑的能耗已成為人們關(guān)注和研究的熱點問題。特別是采用了空間結(jié)構(gòu)的大型公建，由于其使用功能的特殊性，導致其能源消耗總量大、波動性大。如何利用建筑外表面積大、屋面開闊的特點，合理利用屋面空間，推廣可再生能源的利用，實現(xiàn)太陽能建筑一體化，研究其意義重大，是未來建筑節(jié)能發(fā)展的必然趨勢。 本文以研究太陽能技術(shù)在大型公共建筑中的應用為出發(fā)點，通過現(xiàn)場調(diào)研分析，將其應用歸納為：光熱應用、光照明應用、光伏應用等三種應用方式；重點分析太陽能技術(shù)組合應用的可行性，提出應根據(jù)建筑內(nèi)部實際需求，合理劃分屋面不同應用太陽能接收載體的布置區(qū)域，最大限度利用屋面空間，提高太陽能利用效率。其中，光伏技術(shù)是未來太陽能技術(shù)發(fā)展的重點，以光伏應用與屋面的結(jié)合技術(shù)為主要研究對象展開分析。根據(jù)光伏方陣與屋面的結(jié)合程度，將其劃分為分離式（BAPV）和合一式（BIPV）。從屋面光伏組件選擇、光伏組件的布置、組件支承形式選擇，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計四方面分析研究兩類光伏屋面的體系結(jié)構(gòu)及設計特點。結(jié)果表明BIPV式屋面一體化程度高，但體系個性大于共性，設計時應具體問題具體分析；BAPV式屋面的半獨立性，在現(xiàn)有光伏技術(shù)基礎上更利于保證屋面組件發(fā)電效率，通用性更高。 歸納BAPV式屋面的設計流程為：光伏組件選擇→屋面組件排列→支架選型→支架結(jié)構(gòu)設計。經(jīng)過綜合分析對比，提出光伏組件選擇、排列及支架選型的優(yōu)化方案。支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，首先，根據(jù)不同規(guī)范標準的公式構(gòu)成及計算結(jié)果分析，對屋面光伏支架設計風荷載標準值及荷載組合進行對比分析，提出建議使用的屋面光伏支架設計風荷載計算公式和荷載組合；其次，根據(jù)上述分析結(jié)果，運用Sap2000數(shù)值模擬軟件對不同風荷載設計組合值情況下的光伏支架結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，分析不同情況下各構(gòu)件的撓度值，得出支架結(jié)構(gòu)在不同工況下的作用規(guī)律，提出優(yōu)化方案。綜合上述結(jié)果，給出BAPV式屋面體系的優(yōu)化設計方案，并結(jié)合工程實例，分析驗證優(yōu)化方案的實際可行性及優(yōu)化效果。 以上海世博會中國主題館光伏屋面體系為例，對其實際應用效果進行分析，結(jié)果表明該體系年發(fā)電量約為2.80×106度，理論上可滿足建筑主體正常運轉(zhuǎn)340天，且節(jié)能減排效果十分可觀。因此，將光伏系統(tǒng)與建筑屋面的結(jié)合，對于大型公共建筑和社會都具有一定的應用價值和推廣前景。 【關(guān)鍵詞】：公共建筑 太陽能 光伏屋面 優(yōu)化設計
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU242;TU18
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 課題研究背景10-13
• 1.1.1 我國建筑能耗情況10-11
• 1.1.2 太陽能應用技術(shù)11-12
• 1.1.3 大型公共建筑特點12-13
• 1.2 國內(nèi)外太陽能技術(shù)應用概況13-17
• 1.2.1 國外研究動態(tài)13-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 課題研究意義17-18
• 1.4 研究內(nèi)容與技術(shù)路線18-20
• 2 太陽能技術(shù)的應用方式20-32
• 2.1 光熱技術(shù)20-23
• 2.1.1 工作原理20
• 2.1.2 應用系統(tǒng)及構(gòu)成20-22
• 2.1.3 綜合應用22-23
• 2.2 光照明技術(shù)23-26
• 2.2.1 工作原理23-24
• 2.2.2 直接采光照明24
• 2.2.3 轉(zhuǎn)移采光照明24-26
• 2.3 光伏技術(shù)26-29
• 2.3.1 工作原理26-27
• 2.3.2 電池種類27-28
• 2.3.3 承載體選擇28-29
• 2.4 屋面與光伏技術(shù)29-31
• 2.4.1 分離式屋面（BAPV）29-30
• 2.4.2 合一式屋面（BIPV）30-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 3 屋面光伏結(jié)構(gòu)體系分析32-44
• 3.1 應用特點32-34
• 3.1.1 建筑屋面造型要求32
• 3.1.2 系統(tǒng)運行方式32-33
• 3.1.3 電池組件匹配33-34
• 3.2 合一式屋面設計分析34-36
• 3.2.1 光伏組件選擇34-35
• 3.2.2 光伏組件布置35-36
• 3.2.3 體系結(jié)構(gòu)設計36
• 3.3 分離式屋面設計分析36-40
• 3.3.1 光伏電池選擇36-37
• 3.3.2 光伏組件布置37-38
• 3.3.3 支承形式選擇38-39
• 3.3.4 體系結(jié)構(gòu)設計39-40
• 3.4 光伏支架設計40-42
• 3.4.1 設計依據(jù)40
• 3.4.2 支架布置40-41
• 3.4.3 連接方式41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-44
• 4 分離式光伏屋面的優(yōu)化設計44-65
• 4.1 光伏方陣的排列44-46
• 4.1.1 光伏組件選擇44-45
• 4.1.2 光伏組件布置45-46
• 4.2 設計風荷載取值46-50
• 4.2.1 基本參數(shù)確定46
• 4.2.2 風荷載計算46-49
• 4.2.3 對比分析49-50
• 4.3 光伏支架設計50-59
• 4.3.1 設計基本參數(shù)50-51
• 4.3.2 荷載組合51-52
• 4.3.3 數(shù)值模擬52-54
• 4.3.4 結(jié)果與分析54-58
• 4.3.5 優(yōu)化設計方案58-59
• 4.4 實例對比分析59-64
• 4.4.1 基本數(shù)據(jù)參數(shù)59-60
• 4.4.2 確定組件及支架形式60-62
• 4.4.3 支架優(yōu)化設計62-64
• 4.4.4 經(jīng)濟效益64
• 4.5 本章小結(jié)64-65
• 5 光伏屋面系統(tǒng)工程應用效果分析65-71
• 5.1 工程概況65-67
• 5.1.1 總體設計65-66
• 5.1.2 組件選型66
• 5.1.3 支架設計66-67
• 5.2 系統(tǒng)發(fā)電量及節(jié)能效果67-70
• 5.2.1 影響因素67-68
• 5.2.2 理論模型68-69
• 5.2.3 效果分析69-70
• 5.3 本章小結(jié)70-71
• 6 結(jié)論與展望71-73
• 6.1 結(jié)論71-72
• 6.2 展望72-73
• 致謝73-74
• 參考文獻74-77
• 附錄77

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