太阳房典型组件能量传递规律研究

摘要

使用具有特定传热特性的围护结构，建筑本身即可形成一种空调效果，让建筑内部在所需的时刻保持舒适。而利用太阳能集热器提供的热空气，则能主动调节建筑内的温度。本文即主要研究建筑围护结构和太阳能集热器这两种太阳房典型组件的能量传递规律。
　　建筑围护结构内的能量传递规律研究关键是求解其非稳态导热问题。针对现有理论模型中，建筑外环境边界条件使用标准正弦周期函数来模拟，而与实际情况不符的缺陷，建立了新的理论模型。模型使用Fourier级数的方法，构造出与实际气候贴近的边界条件函数，使用C-N格式对非稳态导热方程离散化，并使用TDMA算法求解获得了温度在时间和空间域上的分布。为检验该理论模型，使用不同围护结构建造的十二栋建筑模型，被置于人工可控环境的风洞中进行了实验。相同条件下的理论模型与实验结果一致。这一能量传递过程涉及到的两个重要传热特性：延时和衰减，在先前研究中被认为是材料的固有属性，而在本文的理论与实验结果中都被发现为室外温度波的因变量，且存在峰值延时与谷值延时。接下来，分析了中国武汉市在全年不同月的室外温度波，研究并获得了延时和衰减随不同室外温度波波形的变化规律。
　　太阳能集热器内的能量传递规律研究关键是求解其稳态传热传质问题。一个可模拟集热器实际运行工况的室内测试实验台被搭建起来，以研究集热器在实际应用时的能量传递规律。同时，这一传热传质问题的数学模型也被建立起来。模型应用迎风差分格式离散化空气流道的控制方程后，求解代数方程组获得了空气速度场和压力场。然后应用中心差分格式建立了整个集热器的能量平衡关系式，而实现了温度场的求解。在用实验结果对理论模型进行验证后，理论模型被扩大到比实验中更普适的工况，获得了在考虑了集热量与风机功率的情况下，流量改变时，出口温度和热力-水力综合效率等表征参数的变化规律，并得到了不同外界环境下集热器最佳运行流量值。另一方面，为提高集热器的太阳能利用率，提出了一种纯机械式太阳跟踪系统。该系统利用外接设备自身的重力，将热胀冷缩元件引起的作用力失衡放大，带动外接设备转动，实现对太阳的实时跟踪。
　　最后，研究了同时使用围护结构和太阳能集热器这两种太阳房组件，来对室内环境进行调节的方法。使用前文所述的理论模型，针对中国大同的办公建筑，在采暖季的采暖需求下，求解了建筑内壁面在一天中的温度波动、集热器输出温度和室内热舒适度在一天中的变化情况。研究结果认为，在该种气候条件及采暖需求下，使用低延时与低衰减系数的围护结构，并在一定时间内打开空气集热器，可降低室内采暖能耗并获得舒适的室内环境。
　　本文对典型太阳房组件的能量传递规律进行了研究，主要获得了围护结构非稳态传热，以及太阳能空气集热器传热传质的理论与实验模型。此外，还获得了一种太阳跟踪装置，得到了实际应用条件下，围护结构样式和集热器的选用方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1. 研究背景及意义

1.2. 国内外研究现状

1.3. 本文主要研究内容

2 太阳房围护结构的能量传递规律

2.1. 围护结构非稳态传热实验研究

2.2. 围护结构非稳态传热理论模型

2.3. TL和DF与外界环境的关系

2.4. 本章小结

3 太阳房SAC的能量传递规律

3.1. SAC实验研究

3.2. SAC传热传质理论模型

3.3. SAC流量优化研究

3.4. 太阳跟踪系统研究

3.5. 本章小结

4 围护结构与SAC结合能量传递规律

4.1. 系统的物理模型

4.2. 围护结构与SAC结合

4.3. 本章小结

5 总结与展望

5.1. 全文总结

5.2. 后续工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间的科研成果