太阳能空气集热模块优化运行策略的研究

【摘要】： 太阳能空气采暖系统已经有近30年的发展历程,它具有结构简单、价格低廉、室温调节迅速以及无结霜结露现象等优点,是一种极具应用前景的太阳能采暖技术。针对我国居住建筑形式大多为多层住宅的国情,研究开发充分利用南外墙收集利用太阳能的空气采暖系统成为国家“十一五”期间可再生能源利用领域的重点资助方向。但目前虽然太阳能空气集热器单体热性能的研究已经取得较大的进展,可是热输运过程的控制策略仍然是一个亟待解决的重要问题,这也是影响其实际工程设计应用的瓶颈问题。 本研究中,以自主研发的太阳能空气集热模块(简称模块)的采暖系统为研究对象,采用实验研究、理论分析及模拟计算相结合的方法,系统研究了风机不同运行模式下模块热性能和采暖效果、模块供热能力气候适应性、模块热循环流速对模块热效率和室内温度场分布的影响,建立了模块宏观物理模型和实验房环境控制系统的数学模型,并在TRNSYS中对辅助热源控制系统的进行了模拟。 研究内容与成果概述如下: (1)通过实验研究了不同运行方式下模块的换热强度、供热量、热效率和室内采暖效果,得出模块全热换热量是显热换热量的1.3～1.5倍,潜热换热不可忽略;连续运行时供热量和平均热效率均高于间隔运行,但是在风机开启段,间隔运行的逐时热效率高于连续运行;非等时间间隔运行时,室内温度场波动较小,而等时间间隔运行室内温度波动较大,连续运行室内温度波动介于二者之间。(2)引入层次分析法,给出了不同气候条件下模块区域气候适应性综合评价方法,提出影响模块区域适应性指标分别为分别是冬季日照率、采暖期的太阳辐射总量、采暖期的日照时数、采暖期累年极端最低温度平均值、采暖期室外平均温度,确定各自的权重系数分别为0.177、0.465、0.233、0.046、0.079,并利用该方法对采暖区8个典型城市的模块适应性做出评价,这为模块的在不同区域气候供热能力的计算和推广提供了理论依据。(3)利用实验和理论研究相结合的方法研究了模块内部不同流速下模块供热量和热效率,并提出效率归一化处理方法,研究不同实验条件下,模块热效率与内部空气流速之间的关系:同时在hirpak软件中建立了模块送风模型,研究不同出口风速对室内温度场的影响,得出,流量分别为0.01m~3/s m~3/s、0.02m~3/s、0.03m~3/s时,模块最佳出口流速分别为1m/s、1.6m/s、2.0m/s,随着流量的增大,模块最佳出口风速增大。(4)分别建立了模块换热模型和实验房辅助热源控制系统的物理模型和数学模型,得出模块出口温度的计算公式,并在TRNSYS软件中建立实验房辅助热源控制模型,同是通过调试确定PID控制器的比例常数、积分时间、微分时间分别为50,0.1,0.1,利用该控制方法可以使室内温度很好的稳定在18℃左右。 【关键词】：太阳能空气集热模块 热循环方式 最佳运行流速 控制策略
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 研究背景和意义10
• 1.2 太阳能空气集热模块热循环方式及控制策略研究现状10-19
• 1.2.1 模块内部空气流动特性对热性能影响的研究11-13
• 1.2.2 模块热输运方式对室内热性能的影响的研究13-16
• 1.2.3 模块运行控制策略研究16-19
• 1.3 存在的问题与不足19-20
• 1.4 研究内容20-21
• 2 模块热循环控制的理论与实验分析基础21-32
• 2.1 模块瞬时热效率及供热量的计算方法21-24
• 2.2 控制系统分析及理论基础24-26
• 2.2.1 数学模型24-25
• 2.2.2 拉普拉斯变换及传递函数25-26
• 2.2.3 常用的建筑室内温度控制方法26
• 2.3 模块热性能测试方法26-29
• 2.3.1 稳态测试方法26-28
• 2.3.2 动态测试方法28-29
• 2.4 层次分析法29-31
• 2.4.1 递阶层次结构的建立29
• 2.4.2 构造判断矩阵29-30
• 2.4.3 层次排序和一致性检验30-31
• 2.4.4 隶属度函数的选取31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 不同运行模式下模块供热能力及采暖效果研究32-44
• 3.1 实验概况32-35
• 3.1.1 实验平台32-33
• 3.1.2 实验方法33-35
• 3.2 实验结果分析35-40
• 3.2.1 忽略潜热交换的误差分析35-36
• 3.2.2 模块内部的换热强度分析36-37
• 3.2.3 供热量与热效率分析37-38
• 3.2.4 采暖效果分析38-40
• 3.3 模块供热能力的气候适应性分析40-42
• 3.3.1 模块气候适用性影响因素分析40-41
• 3.3.2 采暖区典型城市模块气候适用性分析41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 4 模块最佳热循环流速的研究44-57
• 4.1 不同循环流速下模块热性能实验44-45
• 4.1.1 实验概述44-45
• 4.1.2 不同风速下模块供热量与热效率45
• 4.2 效率归一化及模块内最佳流速的确定方法45-49
• 4.2.1 效率归一化的提出46-47
• 4.2.2 效率归一化方法的验证47-48
• 4.2.3 效率归一化方法的应用48-49
• 4.3 模块最佳出口风速的确定49-55
• 4.3.1 实验房物理模型49-51
• 4.3.2 数学模型51
• 4.3.3 模型求解与验证51-53
• 4.3.4 模块最佳出口流速的确定53-55
• 4.4 本章小结55-57
• 5 辅助热源及热输送控制策略57-68
• 5.1 模块理论计算模型的建立57-61
• 5.1.1 模型描述及假设条件57-58
• 5.1.2 热平衡方程及换热系数的确定58-59
• 5.1.3 模型验证与误差分析59-61
• 5.2 辅助热源控制系统设计61-67
• 5.2.1 实验房室内温度控制模型的建立61-64
• 5.2.2 加热器、执行器和传感器的传递函数64-65
• 5.2.3 控制方法的确定65
• 5.2.4 控制系统模拟分析65-67
• 5.3 本章小结67-68
• 结论与展望68-70
• 创新点70-71
• 参考文献71-74
• 附录A TRNSYS功能与应用74-75
• 附录B AIRPAK在室内环境模拟中的应用75-76
• 附录C 热网络图中各参数的物理意义76-77
• 攻读硕士期间发表论文情况77-78
• 致谢78-79

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