新型变色幕墙太阳能空气集热器的热性能研究

【摘要】：传统的太阳能集热蓄热墙(如Trombe墙体)由于施工简单、成本低、集热效果较好等特点而得到了较为广泛地应用，截至2004年底，中国北方农村地区被动式太阳房的建筑面积约达1.8x10~7m~2，每年节约折合标准煤36万吨。但是，夏季过热和难以进行维修等缺陷一直是制约这种被动式采暖方式推广应用的重要因素。为了探索解决这种问题的途径，提出一种实用新型专利产品—新型变色幕墙太阳能空气集热器(SCCF)，具有冬季采暖和夏季降温的双重功能，在冬季夜间还可以加强门窗的保温作用。 本研究主要针对新型变色幕墙太阳能空气集热器在实际建筑应用中的热性能进行研究，从实测调查研究、理论模型计算与Fluent数值仿真三个角度展开，从实际到理论，从宏观到微观，循序渐进地评价了其在冬季白天对房间的采暖效果、夜晚对建筑和门窗的保温效果以及在夏季对墙体和室内环境的降温效果等；分析讨论其各个基本构件的结构尺寸、安装位置、运行状态和控制条件等因素对热性能的影响，并在此研究的基础上，提供主要设计参数值的选择依据。 经过两年多的实测调查和理论计算以及数值仿真模拟，对大量数据进行整理归类和分析讨论，主要得到的结论如下：(1)冬季SCCF进出风口空气温差最高达38℃；安装在建筑南外墙的SCCF的集热效果好于西外墙；(2)体型比(H／W)B=0.4的最大进出风口空气温差优于体型比(H／W)A=1.9，相差约13℃；增大体型比有助于提高集热器的热性能，但体型比不能过大，根据分析建议体型比为H／W=2；(3)集热板角度约80°时SCCF的进出风口空气温差比45°时高出4～7℃；百叶角度约为70°时集热器的集热效果最佳；实际设计中应保证百叶角度大于50°以获得长期高效的运行效果；(4)空气夹层厚度越小，越有助于集热；但是空气夹层厚度变化对所有热性能参数的影响很小。(5)进出风口均全开比进出风口均半开的进出风口温差低约8℃；风口尺寸大小对所有热性能参数的影响效果很明显，风口直径增大对集热效果有利；在实际工程施工或设计中，建议风口直径尺寸不应大于200mm；(6)夹层内空气体积流量是影响有效利用能或集热效率的关键因素，若为了在上述基础上强化集热效果，可以采用增大空气流量的方法，如在风口处安装风机等；(7)集热面积为5m~2的SCCF可使16m~2实验房的白天室内空气平均温度比对比房提高3℃～5℃左右；(8)SCCF在夜间可提高窗户外表面平均温度为2.1℃，起到良好的保温作用；(9)百叶集热板的变色功能有着明显的降温效果，可最大降低西墙外壁面温度4.61℃。 【关键词】：太阳能空气集热器 变色幕墙 采暖降温 热性能 集热效率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-30
• 1.1 研究背景9-27
• 1.1.1 太阳能空气集热器形式的发展10-15
• 1.1.2 太阳能空气集热器的研究现状15-21
• 1.1.3 太阳能空气集热器的建筑一体化应用21-27
• 1.2 新型变色幕墙太阳能空气集热器(SCCF)研究课题的提出27-28
• 1.3 本论文主要研究内容和方法28-30
• 1.3.1 研究内容28-29
• 1.3.2 研究方法29-30
• 2 本研究的基础理论30-37
• 2.1 太阳能空气集热器的热性能评价指标30-31
• 2.2 太阳能空气集热器的宏观描述模型31-32
• 2.3 太阳能空气集热器的微观描述模型及 CFD理论应用32-37
• 2.3.1 微观描述模型32
• 2.3.2 CFD方法在本研究中的理论应用32-37
• 3 SCCF采暖降温原理37-46
• 3.1 结构及特点37-39
• 3.2 采暖降温模式39-44
• 3.2.1 采暖模式39-41
• 3.2.2 降温模式41-44
• 3.3 热性能影响因素44-46
• 4 SCCF采暖与降温热性能的实验研究46-69
• 4.1 实验概述46-55
• 4.1.1 实测民宅及实验装置46-49
• 4.1.2 测量参数及仪器49-50
• 4.1.3 测点布置及测试工况50-53
• 4.1.4 光电风机运行状况实验台的搭建53-55
• 4.2 实测结果的考察与分析55-67
• 4.2.1 热性能影响因素55-61
• 4.2.2 室内的采暖效果61-62
• 4.2.3 窗户的保温作用62-63
• 4.2.4 墙体的降温作用63-67
• 4.2.5 光电风机转速与太阳辐射照度的关系67
• 4.3 本章小结67-69
• 5 SCCF传热与流动过程的理论计算与分析—冬季采暖工况69-81
• 5.1 传热与流动宏观模型的建立69-73
• 5.1.1 模型描述及简化69-70
• 5.1.2 模型的建立70-73
• 5.2 模型求解及有效性验证73-74
• 5.3 采暖性能分析74-79
• 5.3.1 计算参数及条件74-75
• 5.3.2 计算结果分析75-79
• 5.4 本章小结79-81
• 6 SCCF夹层内空气温度场与速度场分布特性的数值仿真81-112
• 6.1 物理模型描述81-82
• 6.2 模拟计算及结果验证82-90
• 6.2.1 模拟工况82-85
• 6.2.2 模拟结果及验证85-90
• 6.3 百叶布置方式对夹层内空气传热及流动状况的影响分析90-111
• 6.3.1 倾斜角度90-98
• 6.3.2 固定位置98-107
• 6.3.3 叶片间距107-111
• 6.4 本章小结111-112
• 结论112-113
• 参考文献113-117
• 附录117-125
• 1 降温实验工况拟定117-122
• 2 宏观模型数学推导主要过程122-125
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况125-126
• 致谢126-127
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书127

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