相变蓄能墙体材料在日光温室节能应用中的可行性研究

摘要

日光温室是节能日光温室的简称,又称暖棚,是我国北方地区独有的一种温室类型。其构建方式简单,主要由墙体(后墙、东墙、西墙)、后坡面和前坡面三部分组成。其中前坡面是温室的全部采光面,白天采光时段前坡面只覆盖塑料膜采光,当室外光照减弱时,及时用活动保温被覆盖塑料膜,以加强温室的保温。在晴朗的白天,充分利用太阳能,能够创造出较高的环境温度。而到了夜间,由于没有太阳能,温室室内温度迅速下降,如果不加辅助采暖,夜间温室内温度往往无法满足农作物的生长要求。如果能够将白天过剩的太阳能蓄存起来,待到夜间放出,不但可提高太阳能的有效利用率,而且还可以减少化石能源的消耗,起到保护环境的作用。为此,本课题提出通过提高日光温室墙体的蓄、放热能力,以达到白天富余的太阳能移至夜间用的“削峰填谷”目的。
　　 本研究所涉及的日光温室的墙体一般由砖墙砌成,为了提高其蓄热和隔热能力,往往通过加厚墙体的方法来实现,这无疑加大了砖的用量,消耗大量资源。若能找寻一种蓄能能力强而又轻质的材料替代,不仅节约材料,还能提高夜间温室的空气温度,为植物的过冬提供更好的条件。
　　 基于本课题组对于复合相变蓄能墙体材料的多年研究,本文提出通过在日光温室墙体内表面涂抹该材料,构成集热蓄热墙式被动式日光温室(简称相变蓄热温室)。利用相变材料能够在一定的温度区间下蓄存和释放大量相变潜热(主要为太阳能)的被动蓄放热特点,白天作为主要蓄热体蓄存日光温室内多余的太阳能,夜间作为主要供热源,释放其白天蓄存的能量,以提高温室内空气温度,以提高太阳能的利用率。
　　 本研究在课题组以往关于复合相变蓄能墙体材料的研制、理论分析与实验研究结果的基础上,并通过对日光温室传热过程的分析,建立了关于相变蓄热日光温室的传热模型,实验结果初步验证了模型的有效性。
　　 根据所提出的传热模型,并结合北京地区冬季典型日气象条件,对影响复合相变蓄能墙体材料热工特性及其节能性的因素进行了计算分析,例如,墙体日温度波动范围,复合相变蓄能墙体材料适宜的相变温度、厚度、相变焓以及导热系数等。为后续关于复合相变蓄能墙体材料的工程应用研究,提供了重要参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 太阳能温室的传热特性和节能特性研究

1.2.2 相变蓄能墙体在建筑中的应用研究

1.3 研究内容及特色

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路

1.3.3 研究特色

1.4 本章小结

第2章 日光温室传热过程分析

2.1 日光温室的构筑特点

2.2 日光温室的传热过程

2.2.1 日光温室白天的传热过程

2.2.2 日光温室夜间的传热过程

2.2.3 复合相变蓄能墙体的热工特性

2.3 本章小结

第3章 日光温室传热模型的建立

3.1 外扰模型

3.1.1 太阳位置

3.1.2 太阳辐射的分配

3.1.3 夜间辐射

3.2 围护结构模型

3.2.1 前坡面(塑料薄膜(+草帘子))

3.2.2 墙体(后墙、东墙、西墙)

3.2.3 土壤

3.3 温室空气热平衡

3.4 本章小结

第4章 日光温室传热模型的求解与验证

4.1 实验的设计

4.1.1 实验台的改进

4.1.2 实验数据的测量

4.1.3 测点布置及保温控制

4.1.4 实验条件

4.2 模型的编写和求解

4.2.1 模型的编写和假设

4.2.2 模型的求解

4.3 计算结果与实验值的比较

4.3.1 北墙内表面温度比较

4.3.2 地面温度比较

4.3.3 室内空气温度比较

4.4 本章小结

第5章 影响复合相变蓄能墙体材料热工性能的因素分析

5.1 墙体温度波动

5.1.1 波动范围±5℃

5.1.2 波动范围±10℃

5.1.3 波动范围±15℃

5.2 相变温度

5.2.1 典型气象日的选取及计算条件

5.2.2 墙体内表面温度波动特点

5.2.3 不同相变温度下内表面及空气温度变化

5.2.4 不同相变温度下热负荷及能耗比较

5.3 厚度

5.3.1 计算条件

5.3.2 不同厚度下内表面及空气温度变化

5.3.3 不同厚度下热负荷及能耗比较

5.4 相变焓

5.4.1 计算条件

5.4.2 不同相变焓下内表面及空气温度变化

5.4.3 不同相变焓下热负荷及能耗比较

5.5 导热系数

5.5.1 计算条件

5.5.2 不同导热系数下内表面及空气温度变化

5.5.3 不同导热系数下热负荷及能耗比较

5.6 本章小结

结论和展望

研究总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢