热风式太阳能地板储热系统热性能研究

摘要

在我国北方寒冷地区，太阳能空气供暖以其在热质传输、冬季防冷冻和设备维护等方面存在独特优势而被很多太阳能建筑所采用。由于太阳能具有不稳定性和间断性，太阳能空气供暖系统存在着能量供应和需求不匹配的矛盾，严重阻碍了其在太阳能建筑中的推广应用。为此，研究与太阳能空气供暖相匹配的建筑储热系统及其储放热性能，为有效缓解太阳热能供求在时间、强度和空间上不匹配的矛盾提供了科学依据，将具有十分重要的理论意义和工程实用价值。
　　本研究提出了一种热风式太阳能混凝土地板储热系统，该储热系统以太阳能空气集热器提供的热气流为热源，混凝土地板作为储热构件，并由风机驱动热气流在系统内循环。在大连地区建成的实验房内，对该储热系统进行了实测研究，验证了该储热系统的有效性，并通过分析该储热系统在集热器供热量、热气流的湿度及流动速度等关键影响因素作用下的热响应，掌握了热风太阳能板储热系统的储/放热规律及对室内热环境的调节作用。
　　其次，根据能量质量守恒定律，利用有限差分法，开发了热风式太阳能地板储热系统的动态传热数学模型，编制计算程序进行求解，通过计算数据与实测数据的对比验证了数学模型的准确性。
　　最后，利用经验证的数学模型对热风式太阳能地板储热系统热性能进行了模拟分析。结果表明，太阳能建筑热工设计阶段应选用合适的集热器面积以匹配系统储热量;在典型年供暖期逐月平均室外气温条件下进行分析，最冷月一月份平均室内外温差最高，达到15.5℃，储热效果最为明显;采用光伏电板驱动风机使地板储热系统进风速度随集热器供热量同步变化，地板储热效果优于定风速储热系统。采用递阶层次法对太阳能储热系统进行地域适应性分析，太阳辐射照度与当地建筑围护结构传热指标及储热性能将是决定该地板储热系统是否适应良好的主要标准。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 太阳能供暖技术

1．1．2 太阳能建筑供暖的关键环节——储热

1．2 太阳能建筑储热技术研究现状

1．2．1 太阳能储热系统形式的研究

1．2．2 储热材料的研究

1．2．3 太阳能建筑储放热特性

1．2．4 目前研究存在的问题

1．3 本课题研究内容与思路

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

2 太阳能建筑储热分析理论基础

2．1 太阳能空气供暖原理

2．2 储热系统太阳辐射得热量

2．2．1 太阳辐射计算

2．2．2 太阳能建筑热效率计算

2．3 围护结构动态热传递分析方法

2．3．1 围护结构传热控制方程

2．3．2 数值求解方法对比

2．3．3 重质储热构件传热过程模型

2．4 层次分析法理论基础

2．4．1 建立递阶层次结构

2．4．2 构造两两比较判断矩阵

2．4．3 计算单一准则下元素的相对权重

2．4．4 计算各层元素的组合权重

2．5 本章小结

3 热风式太阳能地板储热系统实验研究

3．1 热风式太阳能地板储热系统的提出

3．2 实验概述

3．2．1 实验目的

3．2．2 实验台的构建

3．2．3 实验仪器与测点布置

3．2．4 实验工况设置

3．3 热风式太阳能地板储热有效性分析

3．3．1 储热地板表面温度响应

3．3．2 太阳能地板储热对室内热环境的作用

3．4 热风式太阳能地板储热储放热性能分析

3．4．1 集热器朝向的影响

3．4．2 热气流湿度的影响

3．4．3 地板储热供热量与供热效率分析

3．5 本章小结

4 热风式太阳能地板储热数学模型

4．1 物理模型描述

4．2 控制方程组

4．2．1 混凝土储热层的热平衡方程

4．2．2 空气夹层内热空气的热平衡方程

4．2．3 室内空气热平衡方程

4．2．4 围护结构内表面的热平衡方程

4．3 热平衡方程中参数确定

4．3．1 透过玻璃入射到室内的太阳辐射

4．3．2 室内辐射换热角系数计算

4．3．3 空气与围护结构表面对流换热系数的确定

4．4 传热模型的求解

4．5 模型验证

4．5．1 数据比较

4．5．2 偏差分析

4．6 本章小结

5 热风式太阳能混凝土地板储热系统性能模拟分析

5．1 计算概述

5．1．1 建筑模型

5．1．2 室外气象参数

5．2 混凝土地板储热系统热性能模拟分析

5．2．1 地板储热系统供热量的影响

5．2．2 供暖期逐月储热作用分析

5．2．3 地板储热系统进风口速度的影响

5．3 热风式太阳能混凝土地板储热系统的地域适应性

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士学位期间申请专利

致谢