太阳能空气集热模块的热过程优化分析

【摘要】： 太阳能空气集热器是一种经济、有效地利用太阳能进行采暖的太阳能利用设备,与建筑集成的太阳能空气集热器通常称之为太阳能空气集热建筑模块(以下简称集热模块)。 目前太阳能空气集热模块存在热效率偏低、夏季过热、与建筑的集成度不高等问题,影响了安装集热器的建筑在冬、夏季的室内热舒适性及其建筑立面效果,制约了其在实际工程中的应用。通过文献调查发现,国内外大多数学者都将研究重点集中在单体集热器的热性能优化方面,而对集热器在全年工况下的运行效果及集热器与建筑集成技术的研究开发方面的研究甚少。 本研究源于“十一五”国家科技支撑计划重点项目:可再生能源与建筑集成技术的研究与示范”课题4—太阳能集热建筑模块的研究与开发,针对集热模块的热效率、间层内空气循环特性、集成模式等问题进行了深入的研究,经过近1年多的实验研究和理论分析,得到的创新性研究成果如下: 1)基于空气集热模块的基本形式,从兼顾提高冬季采暖性能和降低夏季过热的思路出发,开发出了适用于全年工况下带空气间层分隔板的开孔平板型(孔径5mm,孔间距15mm)集热模块。这种优化的集热模块是通过比较分析实心平板、不同孔径的开孔平板以及不同流通路径对集热模块热效率影响而得到的,较传统的实心平板型集热模块,优化模块形式,集热效率提高了50%。夏季降温方式为:通过玻璃盖板上端的风机将室外空气经边框下端开口引入间层,带走集热模块内热量,并将高温空气排至室外,降低集热模块的过热度。通过本研究开发的集热模块热效率可达75%以上,夏季安装集热模块区域南墙冷负荷为闷晒工况的12.5%。 2)在热性能优化实验的基础上,对开孔平板型集热模块形式建立了理论计算模型,对集热模块的材料及间层厚度等进一步进行了优化方案的分析并对冬季采暖效果进行了预测。计算结果表明,当优化集热模块长宽比为6、内外侧空气间层厚度比为3、太阳辐射照度＞230W/m~2时,其供热量可以满足节能65%南向房间的建筑热负荷需求,相当于在大连地区的室外气候条件下一栋6层4单元、每户带有2间南向房间的住宅建筑一个采暖期可以节约标准煤3032.64kg。 本研究为太阳能空气集热模块的研究和设计提供参考依据,对推动太阳能热利用技术具有重要的意义与应用价值。 【关键词】：平板型太阳能空气集热器 全年运行 建筑集成 热性能
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题的意义10
• 1.2 研究背景10-18
• 1.2.1 太阳能空气集热器简介10-12
• 1.2.2 太阳能空气集热器的发展和研究现状12-15
• 1.2.3 太阳能空气集热器与建筑集成的研究和应用现状15-18
• 1.3 集热模块热性能优化过程中的特殊问题18-19
• 1.3.1 适用于全年工况的集热模块结构形式的设计18
• 1.3.2 集热模块与建筑的接口技术18-19
• 1.4 本研究的目的及主要内容19-20
• 1.4.1 本研究目的19
• 1.4.2 研究内容19-20
• 2 壁挂式平板型集热模块的优势分析20-26
• 2.1 21世纪中国城镇住宅模式简述20-21
• 2.2 平板型空气集热器的优势21-23
• 2.3 集热模块设计方案23-25
• 2.3.1 设计参数选取原则23-24
• 2.3.2 设计方案24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 集热模块冬季集热性能优化研究26-36
• 3.1 实验设施及实验方法26-28
• 3.1.1 集热模块27
• 3.1.2 实验方法27-28
• 3.2 实验结果分析28-35
• 3.2.1 集热板形式对模块集热性能的影响28-31
• 3.2.2 集热板开孔孔径大小对模块集热性能的影响31-33
• 3.2.3 循环空气流动路径对模块集热性能的影响33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 集热模块夏季降温实验研究36-46
• 4.1 集热模块夏季过热问题预测36
• 4.2 实验方法36-38
• 4.3 实验结果分析38-44
• 4.3.1 夜间辐射对集热板温度的影响38
• 4.3.2 遮阳降温方式38-39
• 4.3.3 机械排风降温方式39-42
• 4.3.4 不同降温方式对室内冷负荷的影响42-44
• 4.4 本章小结44-46
• 5 开孔平板型集热模块热性能的理论计算与分析46-58
• 5.1 模型描述及假设条件46-47
• 5.2 传热计算模型的建立与传热系数的确定47-50
• 5.2.1 太阳能集热模块热平衡方程47-48
• 5.2.2 换热系数的确定48-50
• 5.3 模型的求解与验证50-53
• 5.3.1 实验验证50-52
• 5.3.2 误差分析52-53
• 5.4 集热模块热性能分析53-55
• 5.4.1 长宽比对对流换热系数的影响53-54
• 5.4.2 外、内侧空气间层厚度比对对流换热系数的影响54-55
• 5.5 本章小结55-58
• 6 新型集热模块的设计58-67
• 6.1 集热模块的优化设计方案58-64
• 6.1.1 结构及参数的优化58-60
• 6.1.2 优化设计方案60-63
• 6.1.3 新型集热模块冬季采暖效果预测63-64
• 6.2 新型集热模块与建筑集成的技术方案64-66
• 6.3 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-73

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