太阳能相变蓄热供暖系统理论及实验研究

【摘要】：北京地区地属寒冷地区,冬季供暖期长,供暖能耗占冬季建筑能耗的主要部分。但北京地区有着丰富的太阳能资源,属太阳能资源较富带。如果能充分利用太阳能作为冬季建筑供暖补充能源,则即可以减少化石能源的消耗,又可提高太阳能在建筑供暖能源中的利用率。然而太阳能固有的不稳定性和间歇性,给太阳能的热利用带来了较大的难度。本研究基于课题组多年关于相变蓄热技术的研究成果,充分利用相变蓄热材料相变潜热量大、可以在温度近似恒定的条件下蓄集大量热量的特点,提出将太阳能集热技术与相变蓄热技术结合,构筑太阳能—相变蓄热—新风供暖系统。利用太阳能为冬季新风供暖系统提供补充能源的学术思想,在太阳辐射强度大的情况下,可将多余的太阳热能蓄存在相变蓄热装置内,待夜晚或太阳辐射强度不足时,将预先蓄存在相变蓄热装置的太阳热能向新风供暖系统补充热能,实现了太阳能时间及地点的转移,提高了太阳能在建筑供能中的利用率。基于上述学术思想,本研究依据传热学、流体力学、相变贮能等理论,重点在以下几方面开展了研究工作: (1)建立了应用于闭式循环系统的全玻璃真空管集热器的传热数学模型。基于全玻璃真空管集热器在闭式循环系统中的应用条件,将其传热过程简化为在联集管内的强制流动与在一系列真空管内自然对流过程的耦合。并通过分析集热器的整体的能量转化过程与单根真空管的自然对流过程,推导出了集热器的数学模型。根据此模型,可以分析在室外太阳辐射强度、供水温度、集热器几何尺寸等参数变化条件下,集热器组件出水温度的变化规律。 (2)在课题组前期的研究基础上,对已有的相变蓄热装置传热模型进行了完善。并构建了太阳能集热系统与相变蓄热系统的耦合传热模型。利用该模型,可以为太阳能时间和地点的转移,提供定量分析和指导。 (3)基于上述研究结果,建立了太阳能—相变蓄热—新风供暖系统的仿真模型。依据该仿真模型,根据北京地区冬季太阳辐射变化规律,对集热系统流量、以及相变材料质量与集热器面积比等参数进行优化设计,并制定了在确保房间供给新风温度相对稳定条件下的系统运行控制策略及其控制条件。 【关键词】：全玻璃真空管集热器 相变蓄热 仿真模型 优化运行 控制策略
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 变量表7-16
• 第1章 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-23
• 1.2.1 全玻璃真空管集热器传热特性研究17-19
• 1.2.2 太阳能—相变蓄热耦合技术19-22
• 1.2.3 系统控制研究22-23
• 1.3 目前研究存在的问题23-24
• 1.4 研究内容24-25
• 1.5 项目资助25-26
• 第2章 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统实验台搭建26-44
• 2.1 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统构成及工作原理26-27
• 2.1.1 系统构成26-27
• 2.1.2 工作原理27
• 2.2 北京地区太阳能资源条件27-29
• 2.3 太阳能集热系统设计29-35
• 2.3.1 集热器的选型29-32
• 2.3.2 太阳集热器的安装倾角32-33
• 2.3.3 集热器的前后间距33
• 2.3.4 集热器布置33-35
• 2.4 相变蓄热系统设计35-38
• 2.4.1 相变材料35-36
• 2.4.2 相变蓄热装置36-37
• 2.4.3 相变材料填充方式37
• 2.4.4 相变蓄热系统运行方式37-38
• 2.5 新风供暖系统设计38
• 2.6 测控系统与测试仪器38-42
• 2.6.1 测控系统38-40
• 2.6.2 主要监测参数及测试仪器40-42
• 2.7 本章小结42-44
• 第3章 全玻璃真空管集热器数学模型的建立44-70
• 3.1 集热器传热过程分析44-49
• 3.1.1 集热器构造44-45
• 3.1.2 集热器能量传递过程45-48
• 3.1.3 真空管内热媒体的流动与传热48-49
• 3.2 单支真空管传热过程分析及传热模型建立49-60
• 3.2.1 壁面温差对自然对流的影响49-52
• 3.2.2 长径比对自然对流的影响52
• 3.2.3 常热流加热对自然对流的影响52-53
• 3.2.4 入射角对自然对流的影响53-55
• 3.2.5 进口温度对自然对流的影响55-56
• 3.2.6 单支真空管能量方程建立及求解56-59
• 3.2.7 单支真空管流动方程建立及求解59-60
• 3.3 真空管与联集管掺混过程的传热过程分析60-61
• 3.4 集热器传热模型及其求解61-62
• 3.5 实验验证62-68
• 3.5.1 实验条件63-64
• 3.5.2 热损系数的测试64
• 3.5.3 透过率与吸收率乘积的测试64-65
• 3.5.4 计算值与实验值比较65-68
• 3.6 本章小结68-70
• 第4章 太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热70-94
• 4.1 相变蓄热装置数学模型71-78
• 4.1.1 相变蓄热装置传热过程分析71-72
• 4.1.2 影响因素分析72-73
• 4.1.3 传热模型的建立73-78
• 4.2 太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热模型78-81
• 4.2.1 板式换热器传热数学模型79-80
• 4.2.2 管道温降传热计算模型80
• 4.2.3 耦合模型的求解80-81
• 4.3 模型实验验证81-84
• 4.3.1 实验工况81
• 4.3.2 模型验证81-84
• 4.4 太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热特性84-91
• 4.4.1 实验及计算工况84-85
• 4.4.2 流速对蓄热装置温度场的影响85-88
• 4.4.3 流速对相变蓄热装置出口温度的影响88-89
• 4.4.4 流速对蓄热时间的影响89
• 4.4.5 太阳辐射强度，集热器面积对蓄热装置出口温度的影响89-91
• 4.5 本章小结91-94
• 第5章 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统动态仿真模型94-102
• 5.1 系统动态仿真模型基本构成94-95
• 5.2 水—空气式换热器传热数学模型95-96
• 5.3 系统动态仿真模型耦合求解96-98
• 5.4 模型实验验证98-100
• 5.4.1 实验条件98-99
• 5.4.2 仿真结果与实验值比较99-100
• 5.5 本章小结100-102
• 第6章 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统优化设计研究102-118
• 6.1 新风显热负荷的计算103-104
• 6.2 集热器面积的确定104-106
• 6.3 相变蓄热装置设计106-110
• 6.3.1 蓄热量的确定106-108
• 6.3.2 相变蓄热装置设计方法108-110
• 6.4 集热系统优化设计110-117
• 6.4.1 计算条件111-113
• 6.4.2 最佳流量的确定113-117
• 6.5 本章小结117-118
• 第7章 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统控制策略研究118-128
• 7.1 控制策略构成及分类118-119
• 7.1.1 控制策略定义118
• 7.1.2 控制策略构成118-119
• 7.1.3 控制策略分类119
• 7.2 控制目标119-120
• 7.2.1 控制参数120
• 7.2.2 控制难点120
• 7.3 基本运行模式120-123
• 7.3.1 相变蓄热装置供风机盘管机组模式120-121
• 7.3.2 电锅炉供风机盘管机组模式121
• 7.3.3 集热器供风机盘管机组模式121-122
• 7.3.4 集热器边供风机盘管机组边蓄热模式122
• 7.3.5 电锅炉夜间蓄热模式122-123
• 7.4 控制模式转换条件123-124
• 7.5 案例分析124-126
• 7.5.1 基本概况124-125
• 7.5.2 运行过程125
• 7.5.3 运行结果125-126
• 7.6 本章小结126-128
• 结论及展望128-130
• 参考文献130-136
• 攻读博士学位期间所发表的论文136-138
• 致谢138

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