耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑供暖特性

【摘要】：耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑供暖是指将太阳能空气集热器所加热的空气在风机驱动下通过建筑围护结构连通空气层进行热输送,提升建筑六面体内表面温度,从而实现房间均匀辐射供暖的一种方式。此种供暖方式改善了热空气供暖所带来的干热、不均匀辐射等引起的不舒适和健康影响,同时利用围护结构蓄热有效抑制了太阳能建筑昼夜室温的波动,并在一定程度上解决了夜间供暖问题。本文从耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑设计、采暖降温方案、自动运行系统、实验平台搭建到实验研究、理论分析模拟验证与自然运行室温预测等开展了系统的研究,其研究成果为耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑设计、运行调控及地区适用性提供了理论参考依据。本文主要研究内容与成果如下：首先,通过建筑气候设计确定了大连地区被动式采暖降温方案与耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑形式,并根据建筑热需求,同时兼顾权衡大连地区冬季得热与夏季降温,确定了热空气循环形式、空气间层厚度、蓄热材料布置方式等。并在此基础上搭建了足尺大闭式循环空气层太阳能实验房与对比房。其次,为实现耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑全天自动运行,构建了太阳能空气采暖智能联动控制风机与风门运行系统。太阳能空气集热器出口空气温度大于22℃,风机风门自动开启；太阳能空气集热器出口空气温度小于18℃,风机风门自动关闭。最大档启动,自动逐档调控风机转速来调节空气流量保证集热器进出口温差10～15℃。控制参数采用太阳辐射照度平均值代替瞬时值以提高系统稳定性；风机延迟10min开启以避免室温骤降；风门延迟10min关闭以利用太阳能空气集热器内余热。第三,本文基于足尺大实验平台通过调节太阳能空气采暖系统送风方式、外遮阳卷帘与南向窗夜间移动外保温等形成五种实验工况,采用计算机多通道巡回检测系统开展了采暖效果、蓄放热特性、夜间外保温与室内热环境特性等实验研究。研究表明：1)直接受益窗采暖比太阳能空气集热器采暖提前50min达到被动式太阳能采暖房间设计温度下限值13℃,而太阳能空气采暖系统因温控材料明显的蓄热效应,在一定程度上抑制了室温波动,使室内空气温度较直接受益窗采暖延迟180min低于设计温度下限值；2)TCM材料的保温蓄热作用使夜间平均室内空气温度提高了6.5℃,显著改善了室内热稳定性；3)南向窗夜间移动保温减少了实验房10%热损失,玻璃窗内壁面温度提高了2.0℃,在一定程度上削弱了夜间局部冷辐射影响；4)在太阳能空气采暖系统作用下实验房体感温度全天略高于或等于室内空气温度,这是由于房屋构造为轻质结构所致。最后,根据耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑空气间层内空气流动状态划分为日间采暖与夜间保温两种情况,基于空气间层传热理论并在TCM蓄热系统中引入相变蓄热饱和度建立了太阳能空气集热器与直接受益窗共同采暖下的蓄热传热数学模型,模拟得到室内空气温度、TCM蓄热层温度与相变蓄热饱和度,并采用实验数据进行了验证,结果表明模拟值与实测值基本吻合,得到相变蓄热饱和度的表达式。利用蓄热与传热模型,得到自然运行室温一维预测公式,探讨了不同建筑热工特性及气候条件对耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑室内热环境的影响。 【关键词】：闭式循环空气层 太阳能建筑 辐射供暖 温控材料 自然运行室温预测
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU832;TU18
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.1.1 传统太阳能建筑环境营造特征11-12
• 1.1.2 太阳能空气采暖系统建筑集成应用形式12-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 空气间层热量传输14-15
• 1.2.2 建筑蓄热15
• 1.2.3 基于建筑壁面辐射环境调控性能15-16
• 1.2.4 耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑热特性16-17
• 1.3 本文研究要点与思路17-19
• 1.3.1 研究要点17-18
• 1.3.2 研究思路18-19
• 2 耦合蓄热闭式循环空气层太阳能建筑构筑方法19-34
• 2.1 本章引论19
• 2.2 设计目标与原则19-20
• 2.3 自然能源利用潜力与建筑热需求匹配20-25
• 2.4 建筑集成采暖降温系统设计方案探讨25-31
• 2.4.1 建筑热工设计25-28
• 2.4.2 采暖降温方案28-30
• 2.4.3 耦合蓄热辐射采暖降温系统建筑一体化设计30-31
• 2.5 运行调控策略31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 3 太阳能空气供暖自动运行系统构建34-39
• 3.1 本章引论34
• 3.2 自动运行系统设计及调控方法34-37
• 3.2.1 自动运行调控构件34-35
• 3.2.2 自动运行调控方法35-36
• 3.2.3 实时数据监测36-37
• 3.3 自动运行系统性能分析与改善37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 供暖特性实验研究39-66
• 4.1 本章引论39
• 4.2 实验概要39-44
• 4.2.1 实验对象39-40
• 4.2.2 测试方法40-44
• 4.3 供暖特性分析44-64
• 4.3.1 采暖形式48-54
• 4.3.2 TCM蓄热54-58
• 4.3.3 夜间移动式保温58-60
• 4.3.4 室内热环境分析60-64
• 4.4 本章小结64-66
• 5 蓄放热特性及自然运行室温预测理论研究66-80
• 5.1 本章引论66
• 5.2 蓄热与热传输过程数学模型建立66-75
• 5.2.1 物理模型66-68
• 5.2.2 空气间层传热模型68-70
• 5.2.3 TCM蓄热模型70-71
• 5.2.4 室内空气热平衡方程71-72
• 5.2.5 传热模型简化与求解72-75
• 5.3 模型验证75-77
• 5.4 自然运行室温预测77-79
• 5.5 本章小结79-80
• 6 结论与展望80-83
• 6.1 结论80-81
• 6.2 展望81-83
• 参考文献83-89
• 附录A 智能控制与监测记录算法程序89-102
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况102
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目102-103
• 致谢103-104

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