相变材料联合太阳能供暖的应用研究

【摘要】：随着日益凸显的能源环境问题，寻求一种新的供暖方式,以清洁可再生能源替代传统能源,成为现代建筑供暖的新趋势。在这种趋势下，以太阳能作为热源的供暖方式应运而生，太阳能供暖技术作为一种高效、节能和环保的空调技术,既可以满足冬季供热需求，同时可以全年提供卫生热水,而且国内外技术相对成熟，是有效降低建筑能耗的节能技术之一，同时，随着太阳能供热技术的发展,对太阳能供热系统中相变蓄热的研究也得到了越来越多的关注。 本文以重庆地区某办公建筑为实验平台，系统采用平板型太阳能集热器联合相变蓄热装置进行供暖，末端为风机盘管和地暖采暖用户，对供暖系统的各部件进行了理论分析、数值计算和实验研究，旨在将研究成果通过相似、类比法应用到高寒地区的工程中，主要研究了以下几方面的内容：太阳能集热系统的蓄热特性、相变蓄热装置的蓄/放热特性以及太阳能集热系统与相变蓄热系统的耦合换热特性，论文重点分析了热流体流量、温度对蓄热装置蓄热性能的影响以及相变蓄热装置的蓄热特性。 本文首先基于相变蓄热理论，建立了相变蓄能罐的物理模型和数学模型，在此基础上，利用Fluent软件进行了数值计算，得到了单个蓄能罐的相变变化规律，并对不同工况下的蓄能罐模型进行了数值计算，分析了热媒体的流量和温度等因素对蓄热装置蓄热性能的影响。通过数值计算结果可以得到：提高热流体流量或温度均可以缩短相变蓄热的时间，增强蓄热效果，且调整速度改变流量对相变完成时间的影响比调整热流体进水水温的影响显著，说明传热流体的流量对相变过程的影响较传热流体的温度大。 为了验证数值计算结果的正确性，建立了太阳能相变蓄热供暖试验台，试验台集热系统由8块平板型集热器组成，相变蓄热系统由6个相变蓄能罐组成，基于该试验台，分别在太阳能辐射条件、系统流量不同的多个试验日对蓄能罐的内部温度进行了监测，测试结果表明，当热流体温度和流量升高后，蓄能罐能较快进入潜热蓄热阶段，且潜热蓄热持续时间较热流体温度和流量升高前缩短，得到了相变蓄热、释热变化的机理，这与数值计算结果一致，验证了模型建立的正确性。 通过对太阳能集热侧总管水温、流量以及环路中不同集热器的进出口水温、流量的测试，对比分析了不同集热器集热性能的差异，以及单个集热器集热量对系统总集热量的影响。测试结果表明，在太阳能集热系统中，当太阳能集热器数量确定后，在满足末端用户需求的情况下，应尽量减小集热侧总流量值，降低每块集热器的流量，使得热媒体流过单块集热器获得较大的温升，从而提高集热侧总出水温度以尽快达到相变温度，增强蓄热效果。此外，就本实验平台而言，虽然管路采用同程式，但由于流量计、温度计等构件的影响，使得各集热器处管路损失不同，从而流量有所差异，导致集热量的差异。 通过测试不同天气、时刻下太阳能辐射强度和蓄热装置供回水干管温度、流量大小变化情况，得出了集热器集热量和蓄热装置蓄热量的耦合变化趋势，结果表明，在太阳能相变蓄热系统中，当太阳能集热量与蓄热量耦合性较差时，应注意调节太阳能集热板的运行数量，当太阳能辐射充足时，可以适当减少集热板的运行数量，反之，当太阳能辐射较差时，则应增加集热板的运行数量。就本实验平台而言，在光照充足的情况下，运行6块平板集热器能够与相变蓄热系统的6个蓄能罐达到较好的耦合。 就本实验所采用的相变蓄热装置，由于相变温度较高（52℃左右），基于重庆地区的太阳能资源情况，在太阳能辐射较强的7、8月份蓄热效果较好，较多天数太阳辐射强度在600～800W/㎡以上，日总辐射量达到17MJ/㎡以上，蓄能罐能够很快达到相变温度进行潜热蓄热，9月份、6月份效果次之，其他月份热流体很难达到相变温度以上，蓄热效果较差。 以拉萨地区气候条件为基础，与重庆地区太阳辐射条件对比后得出结论，本课题实验平台在拉萨等太阳能资源丰富的高寒地区具有较大应用潜力，以拉萨地区为例，该太阳能相变蓄热供热系统的适用期为2～11月份，这段时间内，其蓄热保证率可以达到88.9％。 【关键词】：太阳能集热器 相变蓄热 相变机理 热量耦合 数值计算
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 本课题的研究背景及学术意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 太阳能供暖发展的研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 重庆地区太阳能资源概述及其应用现状14-15
• 1.3 相变蓄热材料及技术的发展研究现状15-18
• 1.3.1 国外研究现状16
• 1.3.2 国内研究现状16-18
• 1.4 课题的主要研究工作18-20
• 2 相变材料联合太阳能供暖的理论分析20-38
• 2.1 太阳能集热侧的热力学理论20-30
• 2.1.1 太阳能集热器的分类及特点20-24
• 2.1.2 太阳能集热器的效率分析及计算24-26
• 2.1.3 集热器安装倾角及太阳光线入射角介绍26-27
• 2.1.4 集热器串并联方式27-29
• 2.1.5 太阳能集热器面积计算29-30
• 2.2 相变传热理论及模型分析30-35
• 2.2.1 相变材料的分类及选择30-32
• 2.2.2 相变传热理论32-35
• 2.3 系统运行模式35-36
• 2.4 本章小结36-38
• 3 相变蓄热装置的数值计算分析38-54
• 3.1 Fluent 软件对相变传热的数值分析理论38-39
• 3.2 单一圆柱相变蓄热体蓄放热过程模拟39-53
• 3.2.1 物理模型和数学模型的建立39-43
• 3.2.2 单个蓄能罐蓄热特性模拟43-48
• 3.2.3 单个蓄能罐释热特性模拟48-52
• 3.2.4 不同工况下蓄能罐蓄热特性对比分析52-53
• 3.3 实测分析53
• 3.4 本章小结53-54
• 4 相变蓄热型太阳能供暖系统的实验研究54-86
• 4.1 试验系统及各部分选型计算54-61
• 4.1.1 试验系统组成54
• 4.1.2 太阳能集热系统侧选型计算54-56
• 4.1.3 末端用户侧选型计算56-60
• 4.1.4 其他部分设计选型60-61
• 4.2 实验研究内容及实验方案61-62
• 4.3 测点布置及数据采集62-64
• 4.4 数据处理与分析64-81
• 4.4.1 太阳能集热系统蓄热性能研究64-68
• 4.4.2 同一环路集热器集热性能对比研究68-70
• 4.4.3 单独相变装置蓄热性能研究70-77
• 4.4.4 太阳能集热系统与蓄热装置耦合换热特性研究77-81
• 4.5 工程应用分析81-83
• 4.6 小结83-86
• 5 结论与展望86-88
• 5.1 结论86-87
• 5.2 展望87-88
• 致谢88-90
• 参考文献90-94
• 附录94-97
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文94-95
• B. 附图95-97

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