动态聚光建筑表皮的集成设计与能量生产特性研究

在可持续设计思想主导的当下，建筑表皮逐步朝着生态、环境响应和动态可调的方向发展，尤其是能够产出能量的生态建筑表皮已经成为新的研究热点。太阳能资源丰富易得，聚光是新型高效的太阳能利用形式，将其应用到表皮构件中，会带来艺术表现、结构形式和能量特性的改变。针对目前国内外建筑与聚光光伏一体化集成（BICPV）研究和应用中存在的问题，本课题提出聚光技术在建筑中集成应用的关键是要解决模块化设计、动态集成与光热特性等问题。 本课题以菲涅尔透镜为聚光器，设计出新型适用于建筑集成的高倍透射式聚光模块， 并按照设计参数制作出实体模型对其进行光电性能实验研究。以万向轴承为控制节点，设计完成新型双轴联动系统，实现了聚光组件与建筑的动态集成。利用光学分析软件TracePro对高倍透射式聚光模块在不同入射条件下的光学效率及建筑集成聚光组件的室内天然采光的影响率进行了量化研究。利用计算流体力学软件ANSYS-CFX对不同工况下聚光组件的热特性进行仿真模拟。 对聚光模块的电性能实验研究结果表明其实际聚光效率为69.0%，电池的实测发电效率保持在37.9%，模块的系统运行效率保持在26.1%，在连续工作状态下具有稳定的电能输出。对聚光模块光学特性模拟的研究结果表明其对入射偏差在1°以内的直射光线具有良好的汇聚作用，光线接收效率保持在75.97%以上。以天津地区为例，晴天且聚光阵列处于工作状态对室内天然采光的影响率在9.13%至11.66%之间，非工作状态下影响率降至6.58%至8.36%之间，全阴天状况下影响率为5.97%。热特性模拟结果表明，主动式通风可以有效降低工作状态下聚光组件的温度，从聚光模块底部入风的散热效果优于从侧面或顶部入风。聚光阵列集成在双层玻璃之间采用机械通风时，靠近入风口的模块散热效果最好；风速相同时，底部通风散热效果优于顶部。聚光阵列处于自然通风状态下，外部开敞式散热效果优于完全开敞式。风速较小时，增大风速会使聚光组件温度明显下降，超过3m/s后，增大风速对聚光阵列散热效果提升不明显。本课题的研究成果可为BICPV的相关研究和应用提供设计指导与数据基础。 2100433B

表皮作为建筑的三大要素之一，是分隔室内外空间的界面。在可持续设计思想主导的当下，建筑表皮逐步朝着生态、环境响应和动态可调的方向发展，尤其是能够产出能量的生态建筑表皮已经成为新的研究热点。太阳能资源丰富易得，聚光是新型的太阳能利用形式，若能将其应用到表皮构件中，会带来艺术表现、结构形式和能量特性的改变。聚光建筑表皮的集成关键要解决模块化设计、动态集成与高效能问题。本项目拟从聚光模块的设计、动态表皮集成构造以及聚光表皮系统的能量生产特性三个方面开展理论与实验研究。平衡建筑美学和能量特性，设计优化聚光模块的外观、尺寸与构造连接；研究模块间的排列组合与整体联动；对聚光模块与集成表皮构件的能量特性进行实际检测和数学模拟，对比优化理论模型。项目将完成聚光模块的设计与表皮集成，并获得其能量生产特性的理论模型和实际数据，为新型的建筑表皮形式提供设计指导与数据基础，促进建筑学科与其他相关学科的交叉发展。

书 名: 建筑表皮:夏热冬冷地区建筑表皮设计研究

作　者：李保峰

出版社： 中国建筑工业出版社

出版时间： 2010年04月

ISBN: 9787112113002

开本： 16开

定价: 48.00 元

第1篇 可变化的建筑表皮

第1章 建筑表皮的概念

1.1 建筑的围护结构与表皮

1.1.1 建筑围护结构的蔽护功能

1.1.2 与室内舒适环境相关的因素

1.1.3 建筑与能耗——以居住建筑为例

1.2 建筑表皮的功能

1.2.1 建筑表皮的基本功能

1.2.2 建筑表皮的分类方式

1.3 建筑表皮的系统性

1.3.1 作为建筑子系统的建筑表皮

1.3.2 建筑表皮的可变化部分

第2章 可变化的建筑表皮

2.1 建筑仿生学的启示

2.1.1 生物进化的适应性

2.1.2 建筑仿生学的研究

2.1.3 仿生学对建筑学的启示

2.2 建筑表皮的可变化意义

2.2.1 建筑的气候分区

2.2.2 气候对建筑的影响

2.3 适应气候变化的建筑表皮

第3章 建筑表皮的发展历程

3.1 建筑表皮演变的历史回顾

3.1.1 传统的建筑表皮

3.1.2 大工业时代的建筑表皮

3.1.3 当代的建筑表皮

3.2 玻璃建筑表皮

3.2.1 早期的玻璃发展简史

3.2.2 大工业化的生产

3.2.3 从“实墙”到“通透的玻璃表皮”

3.3 建筑表皮的生态化发展趋势

第2篇 可变化建筑表皮的量化研究

第4章 夏热冬冷地区气候的特殊意义

4.1 中国的气候分区

4.1.1 《建筑气候区划标准》

4.1.2 民用建筑热工气候区划

4.2 夏热冬冷地区气候的特征

4.2.1 夏热冬冷地区的气候特点

4.2.2 中国夏热冬冷地区太阳能资源状况

4.3 中国“夏热”地区的范围已经明显扩大

第5章 作为表皮的玻璃特性

5.1 玻璃的物理特性

5.1.1 玻璃的光热特性

5.1.2 玻璃的热工特性

5.2 增强玻璃的保温隔热能力

5.2.1 采用多层玻璃组合的方式

5.2.2 改变玻璃表面的特性

5.3 玻璃悖论——玻璃应用的两难

5.3.1 普通玻璃

5.3.2 间层玻璃

5.3.3 镀膜玻璃

5.3.4 选择性玻璃

5.4 建筑设计中玻璃应用的误区

第6章 作为表皮的窗系统研究

6.1 问题的提出

6.2 实验目标、实验房、实验方案

6.2.1 实验目标设定

6.2.2 实验房及测试仪器

6.2.3 测点布置

6.2.4 窗户附加装置

6.2.5 实验方案设计

6.3 夏季实验系列

6.3.1 夏季实验系列1

6.3.2 夏季实验系列2

6.3.3 夏季实验系列3

6.3.4 夏季实验系列4

6.3.5 夏季实验系列5

6.3.6 夏季实验系列6

6.4 冬季实验系列

6.4.1 冬季系列1

6.4.2 冬季系列2

6.5 实验结论

6.5.1 关于内外遮阳方式

6.5.2 关于朝向及遮阳方式

6.6 实践运用的经济性分析

6.6.1 百叶窗造价分析

6.6.2 与家庭装修的经济比较

第7章 作为表皮的玻璃幕墙系统研究

7.1 问题的提出

7.2 实验目标、实验房、实验方案

7.2.1 目标设定

7.2.2 实验房与测试仪器

7.2.3 测点布置

7.2.4 实验方案设计

7.3 夏季实验系列

7.3.1 夏季实验系列1

7.3.2 夏季实验系列2

7.3.3 夏季实验系列3

7.3.4 夏季实验系列4

7.3.5 夏季实验系列5

7.3.6 夏季实验系列6

7.3.7 夏季实验系列7

7.3.8 夏季实验系列8

7.3.9 夏季实验系列9

7.3.10 夏季实验系列10

7.4 冬季实验系列

7.4.1 冬季实验系列1

7.4.2 冬季实验系列2

7.5 实验结论

7.5.1 关于玻璃幕墙的气候适应性

7.5.2 关于遮阳

7.5.3 关于空腔设计

7.5.4 关于双层玻璃幕墙系统的使用方式与功效

7.6 实践运用的分析

7.6.1 类型学上的分类与界定

7.6.2 双层玻璃幕墙的经济分析

7.7 给建筑师的设计提示

7.7.1 关于软件模拟

7.7.2 双层玻璃幕墙的优缺点

7.7.3 夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙的设计导则

第8章 作为表皮的玻璃采光顶系统研究

8.1 玻璃采光顶概述

8.1.1 玻璃采光顶的历史追溯

8.1.2 玻璃采光顶的分类

8.2 夏热冬冷地区玻璃采光顶问题调查

8.2.1 夏热冬冷地区中庭类型调查

8.2.2 夏热冬冷地区整体式水平采光建筑调查

8.3 实验目标、实验房、实验方案

8.3.1 实验目标

8.3.2 实验房与测试仪器

8.3.3 测点布置

8.3.4 实验方案设计

8.4 实验描述与分析

8.4.1 夏季实验系列l

8.4.2 夏季实验系列2

8.4.3 夏季实验系列3

8.4.4 夏季实验系列4

8.4.5 冬季实验

8.5 实验总结

8.6 玻璃采光顶能耗的计算机模拟研究

8.6.1 模拟软件及模拟目的

8.6.2 模拟及分析

8.6.3 小结

8.7 关于玻璃采光顶的设计原则

8.7.1 关于玻璃采光顶的设计重点

8.7.2 关于玻璃采光顶的建筑设计

8.7.3 关于玻璃采光顶的节能策略

第3篇 建筑表皮的运用实例

1.夏日空间

2.冈山的房子

3.巴黎大学学院

4.杜塞尔多夫的公寓办公建筑

5.纽约42街新演播室

6.阿姆斯特丹的改造项目

7.Volkenroda镇的基督小教堂

8.慕尼黑教堂

9.桑河圣塞巴斯蒂昂文化会议中心

10.Batoh的Hiroshige Ando博物馆

11.柏林自行车体育场

12.位于威斯巴登的行政大楼

13.汉诺威公平贸易大楼

14.柏林行政办公楼

15.Delft大学图书馆

16.汉诺威世博会日本馆

17.波茨坦广场上的德比斯公司总部，柏林

18.Gladbacher银行，门兴格拉德巴赫

19.中船重工722研究所

图表来源

参考文献

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