太阳能供热系统的优化设计研究与应用

【摘要】：随着我国建筑总量的快速增长和居住环境的改善,建筑能耗迅猛增长。建筑能耗约占全国能耗总量的30%,从而加剧了能源供应紧张并带来严重的环境污染。太阳能作为一种可再生清洁能源,在建筑中推广使用太阳能供热技术对我国的可持续发展有重要意义。但是太阳能具有间断性和不稳定性,以及热能存储问题,这使得太阳能的热利用受到很大限制。利用相变材料储能密度高、蓄热或放热温度波动小的特性,将太阳能集热技术与相变蓄热技术结合,设计太阳能相变耦合供热系统,既为建筑物采暖,又为用户提供生活热水。 首先,介绍了太阳能供热系统的构成及在不同工况下的工作原理。并分别对系统的组成部分：太阳能集热器、相变蓄热装置、辅助热源、供热末端和控制系统等作了介绍。 其次,研究采用肋片强化相变蓄热装置的换热,利用FLUENT软件对蓄热单元进行数值模拟研究,重点分析了蓄热单元的管间距、肋片间距、肋片间距与1/2管间距的比值、肋片厚度、传热流体流速及温度的变化对肋片强化相变蓄热单元的蓄热性能的影响,并比较蓄热装置不同结构参数和不同传热流体参数完成蓄热过程的时间。 再次,分析如何提高太阳能供热系统的运行效果,总结了太阳能集热器的最佳倾角和最佳集热器面积的优化设计方案,并分析蓄热器蓄热容量的确定方法、影响太阳能保证率的因素及如何系统提高热能利用率。 最后,对石家庄地区一建筑进行太阳能供热系统设计,对系统经济效益和社会效益进行分析评估,并对方案进行可行性分析,为太阳能供热技术的推广和应用提供了依据。 【关键词】：相变材料 太阳能供热系统 相变蓄热装置 数值模拟 优化设计
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 选题意义及背景10-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 太阳能供热系统研究现状12-14
• 1.2.2 太阳能相变耦合供热系统研究现状14-15
• 1.3 研究内容15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 太阳能供热系统的原理及设计17-33
• 2.1 太阳能供热系统的特点17-18
• 2.2 太阳能供热系统的构成及工作原理18-19
• 2.3 太阳能集热系统设计19-26
• 2.3.1 太阳能集热器选型19-22
• 2.3.2 太阳集热器定位22-23
• 2.3.3 太阳能集热器的连接方式23-25
• 2.3.4 太阳能集热器面积的确定25-26
• 2.4 辅助热源26-27
• 2.5 供热末端装置27-29
• 2.5.1 供暖系统27-28
• 2.5.2 热水系统28-29
• 2.6 蓄热装置的设计29-31
• 2.6.1 相变材料的选择29-30
• 2.6.2 相变蓄热装置30-31
• 2.6.3 蓄热装置的运行方式31
• 2.7 控制系统31-32
• 2.8 本章小结32-33
• 第三章 相变蓄热器模拟研究及强化传热33-53
• 3.1 模拟研究理论及方法33-35
• 3.2 FLUENT应用于相变传热数值计算简介35-36
• 3.3 蓄热器模型的建立36-39
• 3.3.1 物理模型36-37
• 3.3.2 数学模型37-39
• 3.4 模型参数及网格划分39-41
• 3.4.1 模型参数39-40
• 3.4.2 网格划分40-41
• 3.5 模拟结果及分析41-52
• 3.5.1 管间距对蓄热过程的影响42-43
• 3.5.2 肋片间距对蓄热过程的影响43-44
• 3.5.3 蓄热器结构对蓄热过程的影响44-50
• 3.5.4 肋片厚度对蓄热过程的影响50-51
• 3.5.5 传热流体流速对蓄热过程的影响51
• 3.5.6 传热流体温度对蓄热过程的影响51-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第四章 太阳能供热系统优化分析53-64
• 4.1 太阳能集热系统优化设计53-59
• 4.1.1 集热器最佳倾角53-57
• 4.1.2 集热器最佳面积57-59
• 4.2 蓄热容量优化设计59-61
• 4.3 辅助热源的选择61-62
• 4.4 系统整体62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 供热系统应用与分析64-72
• 5.1 建筑概况64-65
• 5.2 集热器面积的确定65
• 5.3 蓄热量的确定65-68
• 5.3.1 相变材料填充量67-68
• 5.4 太阳能供热系统节能效益分析68-71
• 5.4.1 系统节能费用与环保效益分析方法68-69
• 5.4.2 基础参数69
• 5.4.3 年系统节能量69-70
• 5.4.4 系统回收年限70
• 5.4.5 系统二氧化碳减排量70-71
• 5.4.6 系统运行综合评价71
• 5.5 本章小结71-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-76
• 致谢76-77
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文77

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