太阳能——相变蓄热闭式供热系统的可应用条件分析与研究

摘要

我国大部分地区都属于冬季太阳能资源丰富、且利用价值高（或较高）的地区。而可再生能源尤其是太阳能的合理利用是低碳经济时代的重要研究内容，但是太阳辐射的不稳定性使太阳能热利用技术应用于需要连续供热的供暖系统受到了制约。本研究提出了将相变蓄热技术与太阳能热利用技术相结合，并将所研制的定形相变材料与太阳能集热系统相结合，构筑太阳能--相变蓄热闭式供热系统，利用相变蓄热技术实现太阳热能时间和空间上的转移，为空调新风供暖系统提供稳定供热源的研究思想。
　　 根据所构筑的太阳能--相变蓄热闭式供热系统的基本原理，搭建了全尺寸实验台，该实验台具有将全玻璃真空管集热器收集到的太阳能，通过热媒体--水储存到填充了DX-53定形相变材料板的相变蓄热装置内，夜晚或太阳辐射强度较弱时，相变蓄热装置再将事先储存的太阳热能用于加热引入到室内的室外低温空气，以减少建筑房间供暖负荷的功能；并可以根据不同的天气状况和控制策略，完成八种模式下的蓄热、供热、放热实验。
　　 以太阳能--相变蓄热闭式供热系统中的核心蓄热构件--相变蓄热装置为研究对象，对其流动和传热过程进行了分析，并对影响相变蓄热装置流动和传热特性的因素进行了研究，得到了五个主要影响因素：热媒体流速、热媒体入口温度、DX-53板布置层数、蓄热装置布置方式、蓄热装置入口几何尺寸。
　　 基于理论分析和实验研究（2008年11月--2010年3月）的方法，对以上因素的影响规律进行了初步探讨；并重点比较了立式、卧式相变蓄热装置的蓄放热特性。结果表明，卧式相变蓄热装置在蓄、放热过程中，由于热媒体流动方向与浮升力作用方向垂直，易产生温度分层现象，影响了卧式相变蓄热装置的蓄放热特性；而立式相变蓄热装置则不受此影响。
　　 建立了关于立式相变蓄热装置的相变传热数学模型，计算结果与实验结果吻合良好；并根据所建立的数学模型，进一步对影响立式相变蓄热装置传热性能的影响因素及其规律进行了分析，为相变蓄热装置的优化设计提供了参考。
　　 结合上述研究结果，在北京地区对所构筑的太阳能--相变蓄热闭式供热系统，进行了工程应用性实验研究。结果表明，所提出的关于该系统的传热与流动过程的设计与运行控制方法，对该系统的工程应用具有较好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 相变蓄热技术

1.2.2 太阳能--相变蓄热耦合技术

1.3 北京地区太阳能资源条件

1.4 研究内容、思路及特色

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究思路

1.4.3 研究特色

第2章 太阳能--相变蓄热闭式供热系统

2.1 问题的提出

2.2 系统构成及其基本原理

2.2.1 系统构成

2.2.2 基本原理

2.3 系统搭建

2.3.1 太阳能集热系统

2.3.2 相变蓄热系统

2.4 本章小结

第3章 相变蓄热装置及其系统传热过程分析

3.1 相变材料及相变蓄热装置

3.1.1 相变材料及其热物性

3.1.2 相变蓄热装置简介

3.2 流动和传热过程分析

3.3 影响因素分析

3.4 本章小结

第4章 相变蓄热装置及其系统热工性能实验研究

4.1 实验对象

4.2 测试参数及测试方法

4.2.1 室外气象参数

4.2.2 新风参数

4.2.3 热媒体参数

4.3 数据采集

4.3.1 计算机监测与管理系统（硬件系统）

4.3.2 计算机监测与管理系统（软件系统）

4.4 测点布置及实验方案

4.4.1 测点布置

4.4.2 实验方案

4.4.3 典型天气条件

4.5 实验结果

4.5.1 入口几何特征尺寸对流场均匀性的影响

4.5.2 浮升力的产生与温度分层现象

4.5.3 卧式相变蓄热装置的蓄、放热特性

4.5.4 立式相变蓄热装置的蓄、放热特性

4.6 本章小结

第5章 立式相变蓄热装置传热性能的数值计算

5.1 立式相变蓄热装置的传热模型

5.2 控制方程的简化及求解

5.2.1 控制方程的简化

5.2.2 控制方程的求解

5.3 传热模型的实验验证

5.4 立式相变蓄热装置热工性能数值分析

5.4.1 计算条件

5.4.2 数值计算结果分析

5.5 本章小结

第6章 太阳能--相变蓄热闭式供热系统在北京地区的应用分析

6.1 系统概述

6.2 系统运行方式

6.3 系统运行结果分析

6.3.1 实验条件及控制参数

6.3.2 典型天气1-17MJ/（㎡·day）

6.3.3 典型天气2-21MJ/（㎡·day）

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢