建筑集成太阳能空气采暖系统智能运行及TCM热质优化方法研究

【摘要】：长期以来,室温不稳定一直是制约被动式太阳能建筑推广应用的技术难题。充分挖掘有限的太阳能资源,构建高效的太阳能收集、储存和传输系统,是提高太阳能建筑整体热性能的重要途径。集热、输热、蓄热是被动式太阳能采暖建筑三个不可缺少的环节,同时也是相互作用的,对于被动式太阳能采暖建筑来说,集热器拥有合理的热输送控制策略是保证建筑高效舒适的关键所在,而考虑建筑围护结构热特性影响的室内空气温度随室外气候的变化规律对确定集热器耦合建筑热质的自适应调控具有关键性的意义。 本文利用自主开发的集热模块智能控制系统以及一种新型潜热热质“TCM控温材料”,在足尺大被动式太阳能采暖建筑实验平台上,开展了有关于输热和蓄热的实验研究,同时根据实验,在EnergyPlus中建立物理模型,分析了集热模块耦合TCM作用下的最佳作用形式。所得结论对于改善被动式太阳能建筑热性能,进一步推广被动式太阳能建筑有一定的理论意义和应用价值。本文的主要研究内容与成果如下： 第一,得出了不同太阳直接辐射照度下进出口温差(Tout-Tin)与质量流率m函数关系：基于该函数趋势分析得到了基本智能控制策略：集热器存在临界太阳直接辐射照度值,高于该临界值,实时供热量Q为质量流率m的单增函数,此时应采用最大风机档位运行,反之,则存在最佳m值使得Q最大,此时宜采用实时供热量变化值调整风机档位,直至变化值不变即处于实时最大供热量。 第二,利用可视化实验平台研究了集热模块送风风速与采暖有效空间的关系,得出采暖有效空间不随风速成线性变化,最大采暖有效空间所对应的送风风速为4.3m/s。 第三,通过实验定量以及定性地分析了控温材料TCM对被动式太阳能建筑室内热环境、围护结构热稳定性、建筑能耗、热舒适性的影响,结果表明：在白天集热器运行期间,TCM布置方式对室温的影响不大,但有利于增强北墙和棚顶的热稳定性；在夜晚或阴雨天集热器不运行期间,TCM可以抑制室温的波动,增加东西墙的布置量更有利于提高围护结构的热稳定性；在保证供热量不变的情况下,增加传热系数较大的围护结构的布置面积,有利于降低建筑能耗；TCM可提高非采暖期间的平均辐射温度,东西北墙和棚顶布置较无布置可降低室内不均匀辐射20%。 第四,提出以“当量厚度d”处理TCM非连续布置问题。集热器运行期间,当d0.015m时,室温与d呈正相关变化；当d0.015m时,呈负相关变化；集热器不运行期间,TCM调控作用随着d的增大而一直增强,天气愈恶劣,TCM的调控作用也就愈明显；根据内表面综合温度和表面蓄热系数的分析,确定TCM的有效蓄热层厚度为0.04m。 第五,以通过围护结构的总传热量最小为目标函数,以TCM总量为约束条件,建立优化问题的数学模型,优化得到了各围护结构TCM的最佳分配比：TE：TW：TS：TE： TC:TF=1.1:1.1:1:1.13:1.17:1.2、 第六,通过多元线性回归分析和偏相关分析得到影响集热器耦合TCM作用下室内空气温度的显著因素排名为：集热器的质量流率m太阳辐射照度G布置密度ρc,据此以提高最低室内空气温度为优化目标建立了数学模型,优化原则为根据集热器的供热量和TCM的蓄放热量选择合适的送风速度和当量厚度,根据优化结果提出了建筑气候自适应调控区间。 【关键词】：气候自适应 被动式环境调控 运行控制 温控材料(TCM) 太阳能空气采暖系统
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU832.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-29
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 太阳能空气集热器热输送方式及运行控制策略研究现状12-21
• 1.2.1 热输送方式12-18
• 1.2.1.1 工程应用12-17
• 1.2.1.2 研究现状17-18
• 1.2.2 运行控制策略研究18-21
• 1.3 基于热质利用建筑蓄热的研究现状21-27
• 1.3.1 热质分类21-22
• 1.3.2 建筑热质的研究现状22-27
• 1.4 课题的提出27-29
• 1.4.1 存在的问题27
• 1.4.2 本研究主要内容27-29
• 2 建筑气候自适应调控的理论基础29-42
• 2.1 太阳能空气采暖系统性能计算方法29-31
• 2.2 建筑围护结构热稳定性分析方法31-36
• 2.2.1 围护结构热稳定性的评价指标32-35
• 2.2.2 围护结构热稳定性的计算方法35-36
• 2.3 EnergyPlus数值模拟的理论基础36-41
• 2.3.1 简述EnergyPlus的作用36-37
• 2.3.2 围护结构的导热传递函数37-39
• 2.3.3 房间的热平衡模型39-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 开式循环太阳能空气集热模块智能控制实验研究42-63
• 3.1 基于Arduino平台智能控制系统可行性分析42-45
• 3.1.1 太阳辐射照度变化时间特性42-44
• 3.1.2 Arduino的智能控制系统响应时间特性44-45
• 3.1.3 可行性分析45
• 3.2 智能控制模型与策略45-49
• 3.2.1 智能控制模型45-46
• 3.2.2 模拟验证实验46-48
• 3.2.3 供热量与质量流率函数趋势分析48-49
• 3.2.4 智能控制策略49
• 3.3 智能控制策略足尺实验验证49-57
• 3.3.1 智能控制算法49-51
• 3.3.2 实验平台51-52
• 3.3.3 测点布置及实验方法52-53
• 3.3.4 实验结果53-56
• 3.3.5 算法分析56-57
• 3.4 开式太阳能空气集热模块对室内环境的影响57-61
• 3.4.1 对湿环境的影响57-58
• 3.4.2 对声环境的影响58-59
• 3.4.3 开式系统的有效采暖空间59-61
• 3.5 本章小结61-63
• 4 控温材料TCM对围护结构热性能影响的实验研究63-78
• 4.1 实验概况63-68
• 4.1.1 控温材料TCM63-64
• 4.1.2 实验对象64-65
• 4.1.3 测试仪器及方法65-66
• 4.1.4 实验方案及测点布置66-68
• 4.2 实验结果分析68-76
• 4.2.1 对室内温度的调节作用68-70
• 4.2.2 围护结构的热稳定性70-72
• 4.2.3 得热量与热负荷72-73
• 4.2.4 热舒适性分析73-75
• 4.2.5 影响室内空气温度的因素分析75-76
• 4.3 本章小结76-78
• 5 太阳能空气集热模块耦合控温材料TCM的模拟优化78-94
• 5.1 模型的建立及条件设置78-80
• 5.2 模型验证80-82
• 5.3 蓄热性能对室内热环境的影响82-86
• 5.4 基于保温最佳分配形式的优化86-88
• 5.4.1 数学模型建立及求解86-87
• 5.4.2 模拟验证87-88
• 5.5 集热模块耦合TCM的应用效果优化88-92
• 5.6 本章小结92-94
• 结论与展望94-96
• 创新点96-97
• 参考文献97-103
• 附录A Arduino嵌入式单片机开发平台103-107
• 附录B 智能控制算法程序107-120
• 攻读硕士学位期间发表论文情况120
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目120
• 攻读硕士学位期间申请的专利120-121
• 致谢121-122

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