大型公共建筑屋面太阳能技术的应用研究

【摘要】：随着我国能源匮乏与建筑高能耗矛盾的不断加剧，大型公共建筑的能耗已成为人们关注和研究的热点问题。特别是采用了空间结构的大型公建，由于其使用功能的特殊性，导致其能源消耗总量大、波动性大。如何利用建筑外表面积大、屋面开阔的特点，合理利用屋面空间，推广可再生能源的利用，实现太阳能建筑一体化，研究其意义重大，是未来建筑节能发展的必然趋势。 本文以研究太阳能技术在大型公共建筑中的应用为出发点，通过现场调研分析，将其应用归纳为：光热应用、光照明应用、光伏应用等三种应用方式；重点分析太阳能技术组合应用的可行性，提出应根据建筑内部实际需求，合理划分屋面不同应用太阳能接收载体的布置区域，最大限度利用屋面空间，提高太阳能利用效率。其中，光伏技术是未来太阳能技术发展的重点，以光伏应用与屋面的结合技术为主要研究对象展开分析。根据光伏方阵与屋面的结合程度，将其划分为分离式（BAPV）和合一式（BIPV）。从屋面光伏组件选择、光伏组件的布置、组件支承形式选择，以及系统结构设计四方面分析研究两类光伏屋面的体系结构及设计特点。结果表明BIPV式屋面一体化程度高，但体系个性大于共性，设计时应具体问题具体分析；BAPV式屋面的半独立性，在现有光伏技术基础上更利于保证屋面组件发电效率，通用性更高。 归纳BAPV式屋面的设计流程为：光伏组件选择→屋面组件排列→支架选型→支架结构设计。经过综合分析对比，提出光伏组件选择、排列及支架选型的优化方案。支架结构的优化设计，首先，根据不同规范标准的公式构成及计算结果分析，对屋面光伏支架设计风荷载标准值及荷载组合进行对比分析，提出建议使用的屋面光伏支架设计风荷载计算公式和荷载组合；其次，根据上述分析结果，运用Sap2000数值模拟软件对不同风荷载设计组合值情况下的光伏支架结构进行数值模拟分析，分析不同情况下各构件的挠度值，得出支架结构在不同工况下的作用规律，提出优化方案。综合上述结果，给出BAPV式屋面体系的优化设计方案，并结合工程实例，分析验证优化方案的实际可行性及优化效果。 以上海世博会中国主题馆光伏屋面体系为例，对其实际应用效果进行分析，结果表明该体系年发电量约为2.80×106度，理论上可满足建筑主体正常运转340天，且节能减排效果十分可观。因此，将光伏系统与建筑屋面的结合，对于大型公共建筑和社会都具有一定的应用价值和推广前景。 【关键词】：公共建筑 太阳能 光伏屋面 优化设计
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU242;TU18
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-13
• 1.1.1 我国建筑能耗情况10-11
• 1.1.2 太阳能应用技术11-12
• 1.1.3 大型公共建筑特点12-13
• 1.2 国内外太阳能技术应用概况13-17
• 1.2.1 国外研究动态13-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.3 课题研究意义17-18
• 1.4 研究内容与技术路线18-20
• 2 太阳能技术的应用方式20-32
• 2.1 光热技术20-23
• 2.1.1 工作原理20
• 2.1.2 应用系统及构成20-22
• 2.1.3 综合应用22-23
• 2.2 光照明技术23-26
• 2.2.1 工作原理23-24
• 2.2.2 直接采光照明24
• 2.2.3 转移采光照明24-26
• 2.3 光伏技术26-29
• 2.3.1 工作原理26-27
• 2.3.2 电池种类27-28
• 2.3.3 承载体选择28-29
• 2.4 屋面与光伏技术29-31
• 2.4.1 分离式屋面（BAPV）29-30
• 2.4.2 合一式屋面（BIPV）30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 屋面光伏结构体系分析32-44
• 3.1 应用特点32-34
• 3.1.1 建筑屋面造型要求32
• 3.1.2 系统运行方式32-33
• 3.1.3 电池组件匹配33-34
• 3.2 合一式屋面设计分析34-36
• 3.2.1 光伏组件选择34-35
• 3.2.2 光伏组件布置35-36
• 3.2.3 体系结构设计36
• 3.3 分离式屋面设计分析36-40
• 3.3.1 光伏电池选择36-37
• 3.3.2 光伏组件布置37-38
• 3.3.3 支承形式选择38-39
• 3.3.4 体系结构设计39-40
• 3.4 光伏支架设计40-42
• 3.4.1 设计依据40
• 3.4.2 支架布置40-41
• 3.4.3 连接方式41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 4 分离式光伏屋面的优化设计44-65
• 4.1 光伏方阵的排列44-46
• 4.1.1 光伏组件选择44-45
• 4.1.2 光伏组件布置45-46
• 4.2 设计风荷载取值46-50
• 4.2.1 基本参数确定46
• 4.2.2 风荷载计算46-49
• 4.2.3 对比分析49-50
• 4.3 光伏支架设计50-59
• 4.3.1 设计基本参数50-51
• 4.3.2 荷载组合51-52
• 4.3.3 数值模拟52-54
• 4.3.4 结果与分析54-58
• 4.3.5 优化设计方案58-59
• 4.4 实例对比分析59-64
• 4.4.1 基本数据参数59-60
• 4.4.2 确定组件及支架形式60-62
• 4.4.3 支架优化设计62-64
• 4.4.4 经济效益64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 光伏屋面系统工程应用效果分析65-71
• 5.1 工程概况65-67
• 5.1.1 总体设计65-66
• 5.1.2 组件选型66
• 5.1.3 支架设计66-67
• 5.2 系统发电量及节能效果67-70
• 5.2.1 影响因素67-68
• 5.2.2 理论模型68-69
• 5.2.3 效果分析69-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 附录77

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