百叶型太阳能Trombe墙系统的性能分析与优化

摘要

随着生活质量的改善，人们对室内的舒适性要求日益提高，进而用于室内采暖、通风与空气调节的能耗不断增加。在建筑中推广可再生能源应用技术，特别是太阳能建筑一体化技术，被认为是一种降低建筑能耗的重要途径。太阳能Trombe墙，作为一种典型的被动式太阳能在建筑墙体中的利用，能够为室内提供采暖与通风，相关研究表明太阳能Trombe墙的使用可以减少30％的建筑采暖能耗。然而，传统太阳能Trombe墙的夏季过热、冬季夜晚或者连续阴雨天热损较大、外形不美观等问题牵制了其推广与应用。为此，本文提出将百叶帘与太阳能Trombe墙结合应用，形成了百叶型太阳能Trombe墙及百叶型太阳能PV-Trombe墙两种结构的太阳能建筑一体化技术:前者可根据太阳能Trombe墙系统运行时间的不同，通过对百叶角度进行调节实现最大效率的采暖、通风;后者的提出是基于现有太阳能PV-Trombe墙存在的问题及百叶型太阳能Trombe墙的优点，百叶型太阳能PV-Trombe墙在给室内采暖或者通风的同时可以输出电能，实现太阳能全年高效利用。
　　百叶型太阳能Trombe墙系统内百叶帘叶片的正反面分别涂有高吸收与高漫反射涂层分别用于百叶型太阳能Trombe墙系统冬、夏季不同的工作模式。利用可对比热箱搭建了百叶型太阳能Trombe墙系统的实验平台，对于冬季自然采暖模式及夏季通风模式分别进行了短期的实验测试，对比了有无百叶型太阳能Trombe墙的两个房间的性能，并记录了各个部件的温度数据以用于后续理论模型的验证。分别建立了百叶型太阳能Trombe墙系统在冬季及夏季运行模式下的非稳态传热、流动模型以及房间的热舒适性模型并通过实验数据验证所建模型的准确性。冬季的理论与实验结果表明，相比于传统太阳能Trombe墙系统，百叶型太阳能Trombe墙系统在日出后开风口的时间早1.5小时，房间的平均温度高约5.5℃，日落后系统的热损更小。PMV的计算结果得出百叶型太阳能Trombe墙系统的房间在白天能够达到基本舒适状态(9:00-17:00)，而传统太阳能Trombe墙系统以及无太阳能Trombe墙系统的房间分别属于偏凉与冷状态，并得出百叶型太阳能Trombe墙系统更适用于像办公室、学校等白天需要采暖较多的建筑。此外，通过比较百叶型太阳能Trombe墙与传统太阳能Trombe墙系统的房间的垂直温差发现:百叶型太阳能Trombe墙系统房间的垂直温度梯度更大，其会引起约12％的不满意百分比，故提出在太阳辐照较高时调整百叶角度使太阳光线更多投射到叶片后侧的蓄热墙体表面，或者配备风机等改善建议。利用夏季的通风模型，在满足室内新风需求的前提下讨论了百叶角度、空气流道厚度、墙体材料等参数对室内冷负荷的影响。结果表明，相比于空气流道与墙体厚度，百叶角度及墙体构造材料对改善室内冷负荷的作用更为显著，特别值得注意的是，当室内空调温度设定为26℃时，若百叶角度小于15 ℃时，百叶型太阳能Trombe墙的使用会增加室内冷负荷。
　　采用电池层压工艺，将光伏电池与经过阳极氧化处理的铝百叶整体层压成型，即形成百叶型太阳能PV-Trombe墙内的光伏百叶帘。设计并搭建了百叶型太阳能PV-Trombe墙模块以及现有文献提出的另两种太阳能PV-Trombe墙模块，即内置式太阳能PV-Trombe墙与外置式太阳能PV-Trombe墙。在相同的自然环境下，对三种尺寸完全相同的太阳能PV-Trombe墙模块进行了不同进口空气流速下的对比实验研究。实验测试结果表明:在进口空气流速为0.45 m/s时外置式太阳能PV-Trombe墙模块的日发电量（0.32 kWh）高于百叶型太阳能PV-Trombe墙模块(0.23 kWh)，但百叶型太阳能PV-Trombe墙的日平均热效率(43.1％)明显优于外置式太阳能PV-Trombe墙(23.8％)与内置式太阳能PV-Trombe墙模块(33.4％)。从光热、光电综合利用角度得出百叶型太阳能Trombe墙的对太阳能的利用率高于外置式式太阳能PV-Trombe墙模块（高约14.5％）与内置式太阳能PV-Trombe墙模块（高约14.1％）。根据上述百叶型太阳能PV-Trombe墙的实验结果，对光伏百叶帘的结构进行理论上的改进，分别建立改进后的百叶型太阳能PV-Trombe墙系统、外置式太阳能PV-Trombe墙系统以及内置式太阳能PV-Trombe墙系统的动态数学模型。以冬冷夏热的合肥地区(32N，117 E)为例，首先从理论上分析了百叶角度对百叶型太阳能PV-Trombe墙系统性能的影响，得出了在不同季节不同时刻下的最优百叶角度，然后采用所建数学模型，从光热、光电两个方面对比分析了三种太阳能PV-Trombe墙全年的运行性能。模拟结果表明，改进后的百叶型改进后的百叶型太阳能PV-Trombe墙系统热收益最多，而电性能与外置式太阳能PV-Trombe墙系统的电性能相近，均优于内置式太阳能PV-Trombe墙系统。将减少的冷、热负荷转化为电能消耗的减少量后得出百叶型太阳能PV-Trombe墙系统年度节约的总电能比外置式太阳能PV-Trombe墙系统高约45.7％，比内置式太阳能PV-Trombe墙系统高约45.1％。进一步得出，单位面积百叶型太阳能PV-Trombe墙系统年度减少的CO2排放量约为内置式或者外置式太阳能PV-Trombe墙系统的1.5倍之多。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源概况与建筑能耗

1．2 太阳能Trombe墙系统的研究与应用现状

1．2．1 太阳能Trombe墙系统的研究内容

1．2．2 太阳能Trombe墙系统的研究类型

1．2．3 太阳能Trombe墙系统的研究方法

1．3 本文的创新点及研究内容

第2章 百叶型太阳能Trombe墙系统采暖模式的理论与实验研究

2．1 引言

2．2 百叶型太阳能Trombe墙系统结构及工作原理

2．3 百叶型太阳能Trombe墙系统实验测试平台

2．4 冬季运行模式的理论模型

2．4．1 百叶型太阳能Trombe墙模块模型

2．4．2 围护结构导热模型

2．4．3 室内空气模型

2．4．4 房间热舒适性模型

2．5 计算流程

2．6 数值计算结果与讨论

2．6．1 数学模型的验证

2．6．2 百叶型太阳能Trombe墒系统与传统太阳能Trombe墙系统的比较

2．7 本章小结

第3章 百叶型太阳能Trombe墙系统通风模式的理论与实验研究

3．1 引言

3．2 夏季通风模式的理论模型

3．2．1 玻璃盖板模型

3．2．2 空气流道模型

3．2．3 百叶帘模型

3．2．4 围护结构导热模型

3．3 性能评价

3．4 数值计算结果与讨论

3．4．1 数学模型验证

3．4．2 参数影响的研究

3．5 本章小结

第4章 百叶型太阳能PV-Trombe墙模块的实验研究

4．1 引言

4．2 百叶型太阳能PV-Trombe墙的研制

4．3 对比实验平台简介

4．4 测试参数、使用设备以及测试过程

4．5 太阳能PV-Trombe墙性能评价方法

4．6 实验误差分析

4．7 实验结果与分析

4．7．1 进口空气流速对百叶型太阳能PV-Trombe墙性能的影响

4．7．2 百叶角度对百叶型太阳能PV-Trombe墙性能的影响

4．7．3 三种不同太阳能PV-Trombe墙性能的对比分析

4．8 本章小结

第5章 三种太阳能PV-Trombe墙系统全年运行性能的对比分析

5．1 太阳能PV-Trombe墙系统全年运行的模式

5．2 太阳能PV-Trombe墙系统的理论模型

5．2．1 光伏电池实际接收太阳辐照计算

5．2．2 玻璃盖板模型

5．2．3 空气流道模型

5．2．4 光伏百叶帘模型

5．2．5 围护结构导热模型

5．2．6 室内空气模型

5．3 数值计算流程

5．4 结果与讨论

5．4．1 百叶角度对太阳能PV-Trombe墙全年运行性能影响的研究

5．4．2 三种太阳能PV-Trombe墙系统全年运行性能的对比

5．5 本章小结

第6章 全文工作总结与展望

6．1 本文主要工作

6．2 后续工作展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文

致谢