太阳能集热屋面模块的性能测试分析

【摘要】：建筑屋面隔热对实现建筑节能具有重要意义。屋面隔热技术包括主动和被动两种方式,其中绿化屋面、蓄水屋面、蒸发冷却屋面、淋水屋面、架空通风屋面及设置隔热材料的屋面均属于被动式隔热方式；而通水屋面是通过设置于屋面构造层中的管道系统将屋面吸收的热量带走并加以利用的主动式隔热。一般通水屋面虽能实现屋面冷却隔热,但未能实现利用太阳能满足建筑热水供应的需求。本文在通水屋面的构造基础上,设计并研制出一种新型低成本的太阳能集热、隔热及冷却屋面模块,并建立了太阳能集热屋面模块性能测试平台,通过对不同构造模块进行了对比测试研究,对其集热量、集热效率及其隔热性能等进行了系统的测试分析。本文共设计了三种屋面通水集热构造模块。模块一选择DN25 PPR管作为集热元件,填充50mm厚沙子；模块二选择：DN25钢铝复合管作为集热元件,并分为表面涂白、表面涂黑和表面涂黑且周围填充50mm厚沙子三种构造模式；模块三选择DN40PVC管作为集热元件,填充50mmm厚沙子。每种构造模块均与裸露屋面模块、同构造不通水屋面模块进行对比测试。通过测量集热模块在不同工况下的进出口水温、流量,以及环境温湿度、辐射强度、各构造层温度及传热热流等性能参数,获得了集热模块在不同工况下的集热量、集热效率、隔热性能及其随时间的变化规律和性能评价参数,分析了模块集热性能与辐射强度、集热性能与流量之间的变化规律,对比研究了不同构造模式下集热模块的隔热性能及其变化特点,建立了集热模块的热平衡方程模型。各模块在不同测试工况下主要性能如下：(1)在不同辐射强度下三种模块的单位集热量分别为169.7kJ/(m2·h).158.2 ～187.9kJ/(m2·h)和196.4 kJ/(m2·h)。各模块在不同辐射强度下的集热量随时间变化规律相似,集热量随时间呈二次多项式变化规律；模块一和模块二的集热量随流量呈二次多项式变化规律,模块三集热量与流量呈线性增大关系。(2)同辐射强度下三种模块的平均集热效率分别为7.0%-19.0%、7.0%-19.0%和36.0%-43.0%。模块三的集热效率比模块一和模块二高24.0%-29.0%,反映出采用DN40PVC管和填充50mm厚沙子较其它材料可以提高模块的集热效率。平板型太阳能集热器单位面积造价约高于三种模块245.9-2645.9元／m2,集热效率高于三种模块7.0%～53.0%。集热模块单位面积造价较低,但集热效率也较低,提高集热元件导热系数并减小集热元件管间隙能够提高模块的集热效率。(3)三种模块的底面传热热流分别为14.3～24.4W/m2、5.5～8.9W/m2和5.4～6.6W/m2,底面温升分别为3.6～5.3℃、1.1～1.6℃和0.8～1.1℃。模块三的底面传热热流和底面温升最小,反映出模块三与其他模块相比隔热效果更好。(4)热流分配特性：模块一的传热热流、对流换热热流、集热热流和蓄热热流与其表面净辐射热流的比例分别为3.0%～6.0%、3.0%～6.0%、7.0%～19.0%和72.0%～93.0%；模块二的传热热流、对流换热热流、集热热流和蓄热热流与其表面净辐射热流的比例分别为1.0%～4.0%、1.0%～9.0%、7.0%～19.0%和77.0%～97.0%；模块三的传热热流、对流换热热流、集热热流和蓄热热流与其表面净辐射热流的比例分别为1.0%～2.0%、4.0%～7.0%、36.0%～43.0%和50.0%～59.0%。模块二与模块三传热热流比例比模块一低2.0%～4.0%；模块三表面对流换热热流所占比例比其他两种模块高约1.0%～5.0%,集热热流占净辐射热流比例高于其他两种模块23.0%～29.0%,蓄热所占比例低于其他两种模块22.0%～32.0%,反映出模块三与其他模块相比可有效降低传热热流及蓄热热流,提高模块表面的对流换热热流与集热热流,从而提高其隔热性能和集热性能。(5)与裸露屋面模块和同构造不通水模块相比,集热屋面模块可降低传热热流1.0%～10.0%,降低蓄热热流15.0%～40.0%,有利于实现建筑屋面隔热节能。 【关键词】：太阳能 集热模块 集热性能 隔热性能
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU111.41;TU231
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• CONTENTS11-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究背景13
• 1.2 研究意义13-14
• 1.3 国内外研究现状14-17
• 1.3.1 蓄水屋面15-17
• 1.3.2 通水屋面17
• 1.4 研究目的17-18
• 1.5 主要研究内容18
• 1.6 本章小结18-19
• 第二章 实验装置及测试方案19-34
• 2.1 太阳能集热屋面工作原理及构造19-26
• 2.1.1 工作原理19
• 2.1.2 测试平台19-20
• 2.1.3 模块构造20-25
• 2.1.4 集热系统25-26
• 2.2 实验测试仪器及设备26-30
• 2.2.1 温度测量26-27
• 2.2.2 太阳辐射强度测量27
• 2.2.3 热流测量27
• 2.2.4 风速测量27-28
• 2.2.5 流量测量28-29
• 2.2.6 太阳辐射模拟器与潜水泵29-30
• 2.3 实验测试方案30-33
• 2.3.1 测点布置30
• 2.3.2 参数采集30-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 集热性能测试分析34-52
• 3.1 集热量的计算34-35
• 3.2 集热量及其影响因素分析35-44
• 3.2.1 辐射强度对集热量的影响35-38
• 3.2.2 集热量随时间的变化特点38-41
• 3.2.3 流量对集热量的影响41-44
• 3.3 集热效率分析44-48
• 3.4 传热量与成本分析48-50
• 3.4.1 传热量计算48-49
• 3.4.2 成本分析49-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第四章 模块隔热性能测试分析52-68
• 4.1 模块内表面温度逐时变化规律52-57
• 4.2 模块底面温升对比分析57-61
• 4.3 模块底面传热热流61-66
• 4.3.1 模块传热热流随时间的变化规律61-64
• 4.3.2 模块传热热流分析64-66
• 4.4 本章小结66-68
• 第五章 集热模块的热平衡方程68-86
• 5.1 热平衡方程的建立68-70
• 5.2 热流特性分析70-81
• 5.2.1 净辐射热流特性分析70-75
• 5.2.2 对流换热特性分析75-79
• 5.2.3 蓄热特性分析79-81
• 5.3 热流分配特征81-84
• 5.4 本章小结84-86
• 结论与建议86-88
• 建议87-88
• 参考文献88-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文91-93
• 致谢9

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