真空管型太阳能热水器与中温集热器热性能研究

【摘要】：随着我国城镇化的不断发展,建筑能耗在全社会能耗中所占比例不断增加,推广太阳能热利用技术在民用建筑中的应用,是实现建筑节能减排,促进可持续发展的有效途径。本课题对全玻璃真空管型太阳能热水器和中温真空管型太阳能集热器两种典型太阳能热利用装置的热性能进行了模拟和实验研究,并对太阳能热利用系统在民用建筑中的应用效果评价方法进行了研究。首先,通过理论分析确定了影响全玻璃真空管型太阳能热水器热性能的主要因素。设计全玻璃真空管型太阳能热水器的热性能实验方法并研制开发了太阳能热水器热性能实验检测装置。通过实验分析了单位面积容水量、真空管管间距、真空管长度、保温厚度等参数对全玻璃真空管型太阳能热水器热性能的影响,发现以上参数中单位面积容水量对日有用得热量和日平均效率影响最大,单位面积容水量每增加10kg/m2,日有用得热量增加0.53~1.56MJ/m2,日平均效率增加3.1%~9.2%。将实验结论应用到太阳能热水器改进中取得了良好的效果,证明实验结论可用于指导全玻璃真空管型太阳能热水器的设计和开发。其次,以直流式真空管型中温太阳能集热器作为典型中温太阳能集热器,采用控制容积平衡法建立了集热器的热性能模型并开发了迭代求解方法。随后研制开发了中温太阳能集热器热性能测试装置,利用该测试装置对某厂家生产的直流式真空管型中温太阳能集热器进行实验,并与模拟结果进行对比发现,模拟得到的截距比实验值高0.0426,相对偏差约5.9%,热损系数增加了0.2140℃/(W·m-2),相对偏差约5.6%。所建立的模型得到了实验验证,可用于直流式真空管型中温太阳能集热器热性能的分析研究。再次,利用验证后的模型及其求解方法,模拟分析了影响中温真空管型太阳能集热器热性能的主要因素,发现真空集热管的吸热板和玻璃外管间的辐射换热是造成热损失的主要原因。因此提出了在吸热板背部增加遮热板的方式提高中温真空管型太阳能集热器的热性能。对改进后的集热器进行实验,得到其瞬时效率曲线为*??0.7763?1.8617T,比改进前截距升高了约7.2%,热损系数大幅下降了50.9%。说明增加遮热板对于降低直流式真空管型中温太阳能集热器的热损失,提高集热器的热性能具有明显作用。最后,本研究提出了更为适用的太阳能热利用系统评价方法,并应用该方法对工程实例进行测试和评价。该评价方法均衡考虑了技术、经济、环保指标,为太阳能热利用系统的设计和运行提供了参考,有助于推广太阳能热利用系统在民用建筑中广泛、合理地应用。 【关键词】：全玻璃真空管型太阳能热水器 中温真空管型太阳能集热器 太阳热利用系统 应用效果评价方法 太阳能保证率
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 课题背景11-14
• 1.1.1 节能减排与可持续发展11-13
• 1.1.2 太阳能热利用13-14
• 1.2 研究现状与问题提出14-32
• 1.2.1 研究现状14-31
• 1.2.2 问题提出31-32
• 1.3 研究内容和研究方法32-33
• 1.4 本文组织结构33
• 1.5 课题来源33-35
• 第二章 全玻璃真空管型太阳能热水器热性能实验研究35-69
• 2.1 全玻璃真空管型太阳能热水器结构及工作原理35-36
• 2.1.1 全玻璃真空管型太阳能热水器结构35
• 2.1.2 全玻璃真空管型太阳能热水器工作原理35-36
• 2.2 影响太阳能热水器热性能的主要因素36-38
• 2.3 全玻璃真空管型太阳能热水器热性能实验设计38-46
• 2.3.1 实验内容38-39
• 2.3.2 实验方法及测量要求39-41
• 2.3.3 太阳能热水器热性能实验检测装置41-45
• 2.3.4 实验样品选择原则45-46
• 2.4 实验结果分析46-66
• 2.4.1 实验结果不确定度分析46-58
• 2.4.2 单位面积容水量对日有用得热量和日平均效率的影响58-63
• 2.4.3 管间距对日有用得热量和日平均效率的影响63-64
• 2.4.4 真空管长度对日有用得热量和日平均效率的影响64-65
• 2.4.5 容水量、保温厚度对贮热水箱热损系数的影响65-66
• 2.5 实验结论66-67
• 2.6 全玻璃真空管型太阳能热水器热性能改善67
• 2.7 本章小结67-69
• 第三章 中温真空管型太阳能集热器热性能模型研究69-97
• 3.1 直流式真空管型中温太阳能集热器结构及工作原理69-70
• 3.1.1 直流式真空管型中温太阳能集热器结构69-70
• 3.1.2 直流式真空管型中温太阳能集热器工作原理70
• 3.2 直流式真空管型中温太阳能集热器数学模型70-80
• 3.2.1 相关假设和简化70-71
• 3.2.2 计算区域离散化71-72
• 3.2.3 控制方程72-79
• 3.2.4 单值性条件79-80
• 3.3 模型求解方法80-84
• 3.3.1 节点方程80-82
• 3.3.2 迭代求解方法82-84
• 3.4 中温太阳能集热器热性能测试装置研究开发84-91
• 3.4.1 中温太阳能集热器热性能测试原理及系统要求85-87
• 3.4.2 中温太阳能集热器热性能测试装置设计87-91
• 3.5 模型的实验验证91-95
• 3.5.1 测试数据及分析91-93
• 3.5.2 实验与模拟结果对比93-95
• 3.6 本章小结95-97
• 第四章 中温真空管型太阳能集热器热性能优化研究97-109
• 4.1 中温真空管型太阳能集热器热性能的模拟分析97-100
• 4.1.1 典型工况模拟结果97-98
• 4.1.2 玻璃外管热损失分析98-99
• 4.1.3 吸热板与玻璃外管间辐射换热量分析99-100
• 4.2 中温真空管型太阳能集热器热性能优化方法100-103
• 4.2.1 降低吸热板下表面与玻璃外管辐射换热量的方法100-102
• 4.2.2 增加遮热板后集热器热性能模拟结果102-103
• 4.3 优化前后中温真空管型太阳能集热器热性能实验结果对比分析103-107
• 4.3.1 实验数据及分析104-106
• 4.3.2 优化前后集热器热性能对比106-107
• 4.4 本章小结107-109
• 第五章 太阳能热利用系统的应用效果测试及评价109-137
• 5.1 太阳能热利用系统应用效果的测试方法109-116
• 5.1.1 测试内容109
• 5.1.2 抽样方法109-110
• 5.1.3 测试条件110-111
• 5.1.4 测试用仪器设备111-112
• 5.1.5 集热系统得热量测试112-113
• 5.1.6 集热系统效率测试113
• 5.1.7 系统总能耗测试113-114
• 5.1.8 制冷机组制冷量测试114-115
• 5.1.9 制冷机组耗热量测试115
• 5.1.10贮热水箱热损因数测试115
• 5.1.11供热水温度测试115-116
• 5.1.12室内温度测试116
• 5.2 太阳能热利用系统评价方法研究116-126
• 5.2.1 评价指标116-119
• 5.2.2 评价方法119-124
• 5.2.3 系统性能判定和分级124-126
• 5.3 太阳能热利用系统评价方法应用126-135
• 5.3.1 深圳某住宅太阳能热水项目测试评价126-129
• 5.3.2 北京市平谷区新农村太阳能采暖项目测试评价129-132
• 5.3.3 国家太阳能中心办公楼太阳能空调系统测试与评价132-135
• 5.4 本章小结135-137
• 第六章 结论与展望137-141
• 6.1 结论137-139
• 6.2 主要创新点139-140
• 6.3 展望140-141
• 参考文献141-157
• 发表论文、著作和参加科研情况说明157-159
• 致谢159-160

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