跨季节太阳能供暖系统设计

【摘要】：低碳经济，这是全世界都关注的话题。利用太阳能供暖，尤其是采用带有辅助热源、储热系统和自动控制系统的太阳能采暖，可大大降低能源的消耗和对环境的污染。由于太阳能的一个主要缺点就是它的间歇性，不仅有昼夜之分，还有阴雨雪天气以及冬夏辐射能的区别等，在此基础上本文提出了跨季节太阳能蓄热的方法。 该方法是将太阳能热利用和地下土壤蓄热系统相结合的一种供热方式。这不仅充分利用了过渡季的太阳辐射能，而且还将其储存到浅层地表，提高了全年的太阳能利用率，克服了太阳能昼夜和季节性的变化等一系列问题。该系统的设计与其他设计不同之处为，该系统设计中载热介质为空气，蓄热和传热介质为土壤和砾石，这样不仅降低了系统的经济性，而且还减少了利用水作为传热和蓄热介质的腐蚀性和防漏等问题对系统的制约。 地下热储存是到目前为止跨季节利用太阳能的一种现实可行的方法，它可以把春、夏、秋三个季节的太阳能热量储存于地下，以供冬季供热之用。系统中利用土壤作为蓄热介质，是考虑土壤既是传热材料，又是储热材料，土壤的热容量适中，其体积热容量较大，接近水热容量的1/2。 本文设计了一种跨季节太阳能空气集热、土壤蓄热系统，该系统主要是将夏季和过渡季的太阳辐射能储存到地下蓄热体中，在冬季太阳能不能满足建筑热负荷时，利用蓄热体中储存的热量为建筑物供暖。在设计的基础上对温室供暖系统和住宅建筑供暖系统进行了定性分析，研究了集热面积、蓄热体体积以及采暖面积三者之间的关系，并以西安村镇典型住宅建筑为模型进行了详细的系统设计分析。 最后，对设计系统中蓄热体内的换热管道进行了传热分析，并得出了换热管道周围土壤的温度场分布情况，并基于FLUENT软件平台，建立了地埋管与土壤之间传热的三维数学模型，对蓄热体的蓄热特性进行了研究。 【关键词】：太阳能 跨季节蓄热 系统设计 数值模拟
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 能源现状9-10
• 1.1.2 我国的太阳能资源10-11
• 1.2 太阳能资源的研究和应用现状11-15
• 1.2.1 太阳能供暖方式12-13
• 1.2.2 国内外发展与研究现状13-15
• 1.3 课题研究的主要内容15-16
• 2 跨季节太阳能热储存和土壤蓄热特性分析16-25
• 2.1 太阳辐射能和太阳辐射量的计算16-18
• 2.1.1 太阳辐射能16-17
• 2.1.2 倾斜表面上太阳总辐照度17-18
• 2.2 跨季节太阳能储存方法18-22
• 2.2.1 太阳能储存方法及分类18-19
• 2.2.2 太阳能储热的技术要求19-20
• 2.2.3 跨季节太阳能热储存20-22
• 2.3 土壤的蓄热特性22-24
• 2.3.1 土壤的热物性参数22-23
• 2.3.2 土壤跨季节蓄热指标23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 跨季节太阳能供暖系统的设计及评价25-48
• 3.1 引言25
• 3.2 太阳能供暖系统的工作原理25-27
• 3.3 太阳能空气集热系统的设计27-31
• 3.3.1 太阳能空气集热器的设计27-30
• 3.3.2 太阳能空气集热器的布置30-31
• 3.4 地下蓄热体的结构设计31-33
• 3.5 不同建筑类型的系统评价33-46
• 3.5.1 以温室供热为例的系统评价分析33-43
• 3.5.2 以住宅建筑为例的系统评价分析43-46
• 3.6 本章小结46-48
• 4 西安村镇典型住宅建筑的系统设计48-53
• 4.1 典型建筑的选取48-49
• 4.2 系统设计程序49-51
• 4.2.1 集热器面积的估算49
• 4.2.2 集热器的确定及阵列设计49-50
• 4.2.3 储能系统设计计算50-51
• 4.3 系统工作原理及设计分析51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 5 蓄热系统换热管道模型的建立及数值模拟53-69
• 5.1 换热模型的建立53-56
• 5.1.1 模型假设53-54
• 5.1.2 换热管道周围土壤温度场方程的求解54-56
• 5.2 数值方法简介56-57
• 5.3 地下蓄热体的数值模拟57-68
• 5.3.1 物理模型及基本假设57-58
• 5.3.2 控制方程及边界条件58-59
• 5.3.3 网格划分59
• 5.3.4 模拟结果及分析59-68
• 5.4 本章小结68-69
• 6. 结论及展望69-71
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-75
• 附图75-76

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