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FoAR 太阳能采暖复合外墙板的优化设计与热工性能研究 |
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论文标题：Optimized design and thermal performance study of solar heating composite exterior wall panels
期刊：Frontiers of Architectural Research
作者：Qinghua Guo, Ximeng Lv, Fei Xia , Wenjing He, Sijia Wang, Peijun Sun
发表时间：27 Oct 2025
DOI：10.1016/j.foar.2025.01.011
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FoAR是由高等教育出版社和东南大学建筑学院联合主办的全英文学术期刊
建筑学 / 城乡规划 / 风景园林本
本刊已被 A&HCI / EI / CSCD / Scopus / DOAJ / CSTPCD 收录
中国科技期刊卓越行动计划 英文领军期刊
Manuscript Title
论文题目
Optimized design and thermal performance study of solar heating composite exterior wall panels
太阳能采暖复合外墙板的优化设计与热工性能研究
Authors
作者
Qinghua Guo (a), Ximeng Lv (a), Fei Xia (a)* , Wenjing He (b), Sijia Wang (a), Peijun Sun (a)
(a) Department of Architecture and Urban Planning, College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
(b) Institute of Architectural Technology, School of Architecture and Urban Planning, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China
Abstract
论文摘要
This paper presents the design of a unit-type solar self-insulating composite exterior wall panel, which integrates a solar collector panel, photovoltaic (PV) panel, and insulation board into a single unit module. The research explores the utilization of an optimized solar collector panel to provide hot air indoors and proposes methods of application on facades. Using Fluent for simulation, it was found that on a sunny winter day, the thermal performance of the optimized solar collector panel increased by 94.68% compared to its pre-optimized state. A three-day experiment showed a maximum average temperature rise of 41.23 ℃ at the air outlet, close to the simulation. Finally, the energy efficiency and economic benefits of the study were calculated, which showed an energy saving rate of 65.47% for the composite exterior wall panels. This research provides ideas for solving the winter heating problem in cold regions buildings and the design application of self-insulating composite exterior wall panels in prefabricated buildings.
本文设计了一种单元式太阳能自保温复合外墙板，该墙板将太阳能集热板、光伏板与保温板集成于一体，形成单元化模块。本研究探究了采用经优化的太阳能集热板为室内供应热风的技术路径，并提出了该墙板在建筑外立面的应用方法。借助 Fluent 软件进行仿真分析后发现：在冬季晴天工况下，优化后的太阳能集热板，其热工性能较优化前提升了 94.68%。为期三天的试验结果显示，出风口空气平均温升最大值达 41.23℃，与仿真结果基本吻合。最后，本研究对该复合外墙板的能效水平与经济效益展开核算，结果表明，该墙板的节能率可达 65.47%。本研究为解决寒冷地区建筑冬季采暖问题，以及自保温复合外墙板在装配式建筑中的设计应用，提供了新思路与技术参考。
Keywords
关键词
Composite exterior wall panels / 复合外墙板
Optimization / 优化
Thermal performance simulation / 热工性能仿真
Design application / 设计应用
Energy efficiency analysis / 能效分析
Sections Title
章节标题
1. Introduction / 引言
2. Optimized design of modular composite exterior wall panels / 模块化复合外墙板优化设计
2.1. Structural design / 结构设计
2.2. Design application of unit composite exterior wall panels in buildings / 单元式复合外墙板的建筑设计应用
3. Methodology / 研究方法
3.1. Thermal performance simulation based on Fluent / 基于 Fluent 的热工性能仿真
3.1.1. Control equations for air flow and heat transfer of composite exterior wall panels / 复合外墙板空气流动与传热控制方程
3.1.2. Computational domain and simulation settings / 计算域与仿真参数设置
3.2. Physical production and experimental test / 试件制作与试验测试
3.2.1. Experimental installation / 试验装置搭建
3.2.2. Experimental sites and measuring instruments / 试验场地与测量仪器
3.3. Energy efficiency analysis / 能效分析
4. Results and discussion / 结果与讨论
4.1. Simulation-based output / 仿真结果输出
4.2. Experimental test results and validation / 试验测试结果与验证
5. Energy saving effect, economic benefits and payback period / 节能效果、经济效益与投资回收期
5.1. Calculation of energy saving effect / 节能效果计算
5.2. Comparison of economic benefits and payback period / 经济效益对比与投资回收期分析
6. Conclusion / 结论
Illustrations
主要插图
▲ 图一：三代复合外墙板：(a) 第一代；(b) 第二代；(c) 第三代。©本文作者
▲ 图二：单元式复合外墙板示意图：（a）外墙局部立面图（b）1-1 剖面图及节点详图（窗下墙部位）（c）2-2 剖面图及节点详图（窗下墙部位）（d）3-3 剖面详图（e）4-4 剖面详图。©本文作者
▲ 图三：单元式复合外墙板示意图：（a）外墙局部立面图（b）1-1 剖面图及节点详图（窗下墙部位）（c）2-2 剖面图及节点详图（窗下墙部位）（d）3-3 剖面详图（e）4-4 剖面详图。©本文作者
▲ 图四：改造前后出风口空气温升对比。©本文作者
▲ 图五：太阳辐射与室外温度。©本文作者
Authors’ Information
作者简介
郭清华
副教授 / 硕士生导师
山东科技大学土建学院
主要从事于建筑节能技术研究
吕希萌
在读研究生
山东科技大学土建学院
主要研究方向是建筑节能技术
夏斐*
副教授
山东科技大学土建学院
主要从事于建筑创作与建筑节能研究
何文晶
教授 / 博士生导师
山东建筑大学建筑城规学院
主要从事于建筑节能研究
王思佳
在读研究生
山东科技大学土建学院
主要研究方向是建筑节能技术
孙培竣
在读研究生
山东科技大学土建学院
主要研究方向是建筑节能技术
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