太阳能热水供暖PCM蓄放热装置热工特性研究

摘要

近年来，建筑节能是我国建筑发展的基本趋势，在建筑能耗中冬季的供暖能耗约占建筑总能耗的40％，因此减少冬季供暖能耗是建筑节能的有效途径。太阳能作为可再生能源具有资源丰富、利用方便等优点，利用太阳能为建筑供暖可减少建筑冬季供暖所需的常规能源的使用量。但是由于太阳能存在热流密度低、间断性等缺点，开发高效的蓄放热设备对太阳能供暖系统的应用、减少建筑供暖常规能源消耗具有重要的意义。
　　 利用相变蓄热技术开发蓄放热装置是解决太阳能热流密度低、不可靠性的有效方法，本课题在已有理论和实践的基础上，设计了能同时蓄热放热的相变蓄放热装置，以实验结合模拟的方法研究了相变蓄热、放热和强化传热技术对蓄放热工特性的影响，得出装置热工特性曲线，进而研制高效的蓄放热装置，从而推动大阳能供暖系统的应用和发展。
　　 本研究蓄放热装置中以Na2S2O3·5H2O为蓄放热介质，建立太阳能供暖系统，并在太阳能供暖系统中对装置的蓄热熔化和放热凝固进行了实验，实验研究发现，相变蓄放热装置在同时蓄放热实验运行的1.5h内，增加了约2MJ的蓄热量，约占全天总蓄热量的4.5％，较只能蓄热、放热单独运行的系统，可以充分利用傍晚太阳能的余热，从而最大限度地利用太阳能，有利于太阳能供暖系统的应用。实验中研究了蓄放热介质、装置内部结构、运行工况等因素对相变蓄放热装置热工特性的影响，得出了优化的结构和运行条件，即以Na2S2O3·5H2O和硅粉为混合相变蓄放热介质、利用金属丝网强化换热的装置结构和蓄放热预热的运行模式，可以提高装置的放/蓄热效率，较纯蓄热介质、光管结构、无预热运行模式下装置的蓄热效率提高了约35％，放/蓄热效率提高10％以上，即优化的结构和运行条件可提高装置热工特性。
　　 研究中还利用Fluent对装置的简化模型进行蓄放热过程模拟，模拟了装置在优化条件下，不同蓄热量时蓄放热装置的放/蓄热效率和放热量，得出其热工特性曲线和表达式，研究发现装置的放/蓄热效率和放热量随蓄热量的增加而增加，且增量也增大，即装置蓄热量越大，热工特性越好，同时实验结果验证了简化模型模拟的正确性。研究中，利用装置的性能曲线和表达式得出了相变蓄放热装置的设计流程，为进一步研究装置对太阳能供暖系统的影响提供支持，进而推动太阳能供暖系统的应用和发展。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 环境与能源问题日益严峻

1.1.2 建筑节能的途径

1.1.3 中国太阳能资源情况

1.2 课题研究现状

1.2.1 太阳能供暖系统研究现状

1.2.2 太阳能利用中相变蓄热技术的研究现状

1.3 本学位论文主要研究内容

2 蓄放热装置设计和实验台设计

2.1 蓄放热装置设计

2.2 实验系统设计

2.2.1 集热器系统设计

2.2.2 地板辐射供暖设计

2.2.3 测试系统设计

2.3 实验方案及工况

2.4 本章小结

3 蓄放热过程的模拟研究

3.1 蓄放热过程分析

3.2 物理模型

3.3 蓄放热过程常用的求解方法

3.3.1 焓法

3.3.2 显热容法

3.4 数学模型

3.4.1 连续方程

3.4.2 动量方程

3.4.3 能量方程

3.4.4 相对速度和漂移速度

3.4.5 物质相变平衡方程

3.4.6 定解条件

3.5 装置热工特性影响因素分析

3.6 本章小结

4 数值模拟与实验结果对比

4.1 实验结果

4.1.1 蓄放热过程实验结果

4.1.2 强化换热实验结果

4.2 数值模拟结果

4.2.1 蓄放热过程模拟结果

4.2.2 强化换热的模拟结果

4.2.3 不同装置内部结构对装置性能的影响

4.3 数值模拟与实验结果对比

4.4 本章小结

5 太阳能热水供暖蓄放热装置的热工特性分析

5.1 蓄放热介质的影响

5.1.1 水

5.1.2 纯相变介质

5.1.3 混合物介质

5.1.4 结论与分析

5.2 蓄热装置结构的影响

5.2.1 光管换热

5.2.2 金属丝网强化传热

5.2.3 结论与分析

5.3 运行工况的影响

5.3.1 蓄热过程

5.3.2 放热过程

5.3.3 结论与分析

5.4 蓄放热装置的热工特性分析和应用

5.4.1 蓄放热装置的热工特性分析

5.4.2 蓄放热装置的应用

5.5 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及参加科研项目

致 谢