太阳能热风采暖系统与村镇建筑一体化研究

【摘要】：太阳能热利用技术是太阳能利用的一个重要途径,它的合理应用可以有效地解决能源紧张问题。太阳能热风采暖系统以其优越的特色,可以弥补热水系统在投资、冷冻、泄漏、启动速度等方面的缺憾,更易于实现与建筑的一体化,宜在村镇建筑中得到广泛应用。在此前提下,本文对太阳能热风采暖系统与村镇建筑一体化进行了研究,重点在于优化热风采暖系统的结构参数和进口参数。 第一,在加拿大Conserval公司设计的Solar Wall基础上进行改进,研制开发了一种无盖板冲缝型空气集热器,建立了数学模型,并进行了实验验证,进而模拟分析了外界参数对集热器热效率的影响。 第二,针对无盖板冲缝型集热器的缺点,进一步提出了盖板式冲缝型空气集热器,并分别对普通玻璃和真空玻璃盖板式集热器进行了理论和实验研究,提出了以有效效率作为评价指标,并结合热效率和空气进出口温升,找到了结构参数和进口参数的优化范围,回归得到了局部阻力系数的经验关系式,证明了这种集热器的优越性;对比两者的性能,发现真空玻璃盖板式集热器的应用效果更好。 第三,综合考虑工作介质和村镇建筑的特点,确定了以卵石作为蓄热材料。以平均蓄热功率和流动阻力为评价指标,研究了不同结构参数和进口参数对蓄热器性能的影响。 第四,总结了太阳能建筑对应用场所和建筑构型的要求,分析了窗户开启形式和开启角度对建筑节能和自然通风的影响;研究了遮阳设施对于保证太阳能建筑夏季正常使用的重要性,开发了独立可执行程序,为不同地区、不同建筑尺寸的挑檐构型优化提供了方便、实用的操作工具。 第五,利用频域回归法计算反应系数,建立了房间内部的动态热平衡方程组,并进行了模型验证;选择一个虚拟太阳能建筑作为模拟对象,研究了集热器面积、蓄热器体积和集热器的吸热板发射率对太阳能保证率的影响。结果表明,在经济条件允许的情况下,应尽量增大集热器面积;在集热器面积一定时,存在合适的蓄热器体积;选择性涂层对系统性能影响很大,应着力开发研究。总体而言,若设计合理,热风采暖系统的太阳能保证率是很高的,可以在初投资较小的情况下,实现提高村镇人民生活水平的目的,同时对村镇建筑的节能减排工作起到良好的促进作用。 【关键词】：太阳能热风采暖系统 冲缝型空气集热器 有效效率 平均蓄热功率
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK519;TU832.17
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-30
• 1.1 研究背景9-12
• 1.2 研究现状12-26
• 1.2.1 空气集热器（墙）发展现状15-22
• 1.2.2 蓄热材料发展现状22-26
• 1.3 存在问题26-27
• 1.4 研究方法和研究内容27-29
• 1.4.1 研究方法27
• 1.4.2 研究内容27-29
• 1.5 本文组织结构29-30
• 第二章 无盖板冲缝型空气集热器研究30-50
• 2.1 无盖板集热器的工作原理和结构设计30-31
• 2.1.1 工作原理30
• 2.1.2 结构设计30-31
• 2.2 无盖板集热器的数学模型31-39
• 2.2.1 数值研究方法32-33
• 2.2.2 控制方程组33-38
• 2.2.3 边界条件38-39
• 2.3 无盖板集热器的实验系统39-45
• 2.3.1 实验装置39-41
• 2.3.2 实验仪器41-43
• 2.3.3 模型验证43-45
• 2.4 无盖板集热器的模拟分析45-47
• 2.5 无盖板集热器的热性能研究47-49
• 2.6 本章小结49-50
• 第三章 普通玻璃盖板式冲缝型空气集热器研究50-79
• 3.1 普通玻璃盖板式集热器的工作原理和结构设计50-51
• 3.2 普通玻璃盖板式集热器的数学模型51-60
• 3.2.1 控制方程组51-59
• 3.2.2 边界条件59-60
• 3.3 普通玻璃盖板式集热器的实验系统60-66
• 3.3.1 实验装置60-61
• 3.3.2 实验仪器61-62
• 3.3.3 实验结果与模型验证62-66
• 3.4 普通玻璃盖板式集热器的模拟分析66-78
• 3.4.1 评价指标66-67
• 3.4.2 性能分析67-78
• 3.5 本章小结78-79
• 第四章 真空玻璃盖板式冲缝型空气集热器研究79-92
• 4.1 真空玻璃的性能79-80
• 4.2 真空玻璃盖板式集热器的数学模型80-84
• 4.2.1 控制方程组80-84
• 4.2.2 边界条件84
• 4.3 真空玻璃盖板式集热器的实验验证84-87
• 4.4 真空玻璃与普通玻璃盖板式集热器的性能比较87-91
• 4.4.1 室外风速的影响87-88
• 4.4.2 环境温度的影响88-89
• 4.4.3 空气进口温度的影响89-91
• 4.5 本章小结91-92
• 第五章 太阳能热风采暖系统的蓄热器研究92-105
• 5.1 蓄热材料的选择92-93
• 5.2 蓄热器的数学模型93-96
• 5.2.1 热性能分析93-95
• 5.2.2 阻力分析95-96
• 5.3 蓄热器的实验系统96-100
• 5.3.1 蓄热装置96
• 5.3.2 实验仪器及测点布置96-97
• 5.3.3 实验验证97-100
• 5.4 蓄热器的模拟分析100-104
• 5.4.1 评价指标100
• 5.4.2 模拟分析100-104
• 5.5 本章小结104-105
• 第六章 太阳能建筑设计与节能分析105-133
• 6.1 应用场所和建筑设计105-110
• 6.1.1 应用场所105
• 6.1.2 建筑外形105-106
• 6.1.3 屋顶、墙体和地板106
• 6.1.4 门、窗106-108
• 6.1.5 集热器（墙）和蓄热器108-109
• 6.1.6 遮阳设施109-110
• 6.2 太阳能建筑节能分析110-132
• 6.2.1 基于频域回归的反应系数法111-114
• 6.2.2 房间数学模型114-120
• 6.2.3 房间实验研究120-127
• 6.2.4 建筑模拟分析127-132
• 6.3 本章小结132-133
• 第七章 结论与展望133-136
• 7.1 主要结论133-134
• 7.2 展望134-136
• 参考文献136-146
• 发表论文和科研情况说明146-149
• 致谢149

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