太阳能相变蓄热墙冬季供暖与夏季降温的性能研究

摘要

中国雾霾的加剧，使人们认识到污染的严重性。随着供热及工厂煤改气工作的逐步推进，农村煤的散烧成为雾霾污染的主要源头，农村地区能否利用清洁能源成了打赢这场雾霾攻坚战的主战场。农村散煤的燃烧主要集中在冬季供暖期，探索能替代小锅炉供暖的方式具有实际意义。
　　近些年来，以太阳能为基础的光热转换技术与应用于建筑的相变材料技术的日趋成熟为新型供暖的研究提供了技术土壤。本文以二者为基础提出了太阳能蓄热墙新型供暖方式，兼顾考虑夏季降温，研究了这种方式的可行性，为解决雾霾污染探索了出路。
　　本文从太阳能真空管内部热水的流动规律着手，以流体力学基本原理为基础建立了数学模型，研究了不同进口温度下、不同管径、不同流动方向下内部热水循环的流动规律，为横置真空管大规模应用于供热提供了理论基础。蓄热物质采用癸酸与月桂酸的混合物，考虑到冬季夏季共用，蓄热材料相变温度选用26℃，通过实验测定了脂肪酸添加膨胀石墨后的导热系数。
　　为了研究实际的效果搭建了实验台，蓄热墙体由五层中间有空隙的蓄热板组成，蓄热板内部铺设盘管。本文研究了在冬季与夏季典型日的工况下，蓄热墙板表面的温度、蓄热板内部蓄热材料熔化的情况、热流密度、室内温度的分布及室内温度分布与室内蓄热板换热、外部进风口之间的关系等。从结果可以看出，冬季室内温度基本控制在16-20℃之间，蓄热墙体很好的满足了室内的供暖的要求；夏季工况下白天室内的空气温度基本控制在27℃左右，达到了夏季降温的要求；夏季夜晚降温模式时，蓄热墙板内部热量能够及时排出。
　　根据实验台的实际尺寸，建立了数学物理模型，进行了气流组织与内部温度分布规律的模拟。结果显示气流组织与温度场分布均较好；并发现了气流短路的问题，为优化提供了方向。同时通过建立动态的响应数学模型，模拟了室内气温随时间变化的情况，与实验结果基本一致。
　　在系统优化的环节中从地域天气、集热面积、集热器连接方式、相变材料的性能及风口的布置角度进行了研究，提出了改进的方向。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3主要的研究方法

1.4主要存在的问题

1.5太阳能相变蓄热墙系统的提出

1.6主要的工作与研究思路

1.7小结

第二章 水平横置真空管内部流场及集热器联箱流场的研究

2.1横置真空管集热器构造

2.2横置全玻璃真空管集热器内部流场的研究

2.3集热器联箱内部流场的研究

2.4小结

第三章 蓄热材料的确定与热性能的改进及盘管间距的确定

3.1蓄热材料的选择

3.2影响盘管间距主要因素的改进

3.3盘管间距的确定

3.4小结

第四章 实验台的搭建与测试分析

4.1集热器的选择与安装

4.2蓄热材料的制做与封装

4.3实验房屋的建造

4.4实验测试方案

4.5冬季实验结果与热性能分析

4.6夏季实验结果与热性能分析

4.7小结

第五章 室内与墙体的数值模拟研究

5.1物理模型

5.2数学模型

5.3房间内部模拟分析

5.4蓄热墙内部换热模拟分析

5.5小结

第六章 太阳能相变蓄热墙体影响室内环境模型与验证

6.1室内热过程分析与计算条件简化

6.2冬季工况模型

6.3夏季工况模型

6.4热平衡方程组的解法

6.5实验值与计算值的验证

6.6小结

第七章 太阳能相变蓄热墙系统的优化设计研究

7.1地域及天气的影响

7.2集热面积计算方法修正

7.3集热器连接方式的改进

7.4盘管间距的影响因素

7.5影响蓄热墙热性能因素的优化

7.6小结

第八章 结论

8.1研究结论

8.2创新点

8.3工作的不足

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢