藏西南边远地区直接受益式太阳能采暖研究

【摘要】：藏西南边远地区经济落后,交通不便,远离电网,常规能源匮乏,位于该地区的边防哨所和民居等建筑的采暖能源无法得到保障,冬季室内热环境恶劣,极端条件下甚至危及人员的生命安全,而该地区生态环境十分脆弱,大规模发展常规能源采暖也不符合环保要求。但藏西南高原地区太阳能资源极为丰富,研究如何在该地区实现低成本、易维护的被动式太阳能采暖有重要意义。 本文提出以低成本、易维护的直接受益式太阳能采暖作为该地区的主要采暖形式,建立了以最冷月平均室温和最低室温为评价指标,稳态热分析和动态模拟相结合的直接受益式太阳能采暖研究方法,分析了在该地区实现无辅助热源直接受益式太阳能采暖的可行性。主要学术贡献为: 第一,以通过墙体的总散热速率最小为目标函数,以保温材料总量一定为约束条件,优化得到了各朝向墙体热阻的最佳比例关系式:其中R_i为墙体热阻,ε_i为墙体传热系数的修正系数,表征太阳辐射和外界长波辐射对墙体散热速率的影响。研究表明该地区各朝向围护结构传热存在较大的差异,表面太阳辐射吸收率为0.7时,热阻相同的北墙平均散热速率比南墙约大60%。 第二,提出以窗户的瞬时净得热量q_g(τ) 0为判别式优化窗户保温的合理启闭时间,对含窗户活动保温的高原直接受益式太阳房进行了数值模拟研究。结果表明:(1)南窗活动保温的合理启闭时间与日出日落时间基本一致,普通中空玻璃窗附加夜间保温是适宜于该地区的南向集热窗形式;(2)在相同条件下,高原地区由于内表面对流换热系数小,降低了室内侧蓄热层的蓄放热速率,导致太阳房室内空气温度波动比平原地区大。 第三,提出以提高最低室温T_(in,min)为目标优化定形相变地板的物性参数,优化原则为根据相变地板总潜热蓄热量选择合适的相变温度以调整相变地板的蓄放热速率,使相变地板在室温最低时段刚好完全凝固。 第四,采用添加膨胀石墨的方法强化了定形相变材料的导热性能,并探索出了将膨胀石墨复合到定形相变材料中的批量制备方法和流程。 【关键词】：直接受益 热阻非均匀 夜间保温 定形相变 膨胀石墨
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 引言12-25
• 1.1 研究背景12-16
• 1.1.1 西藏的生态环境特征12
• 1.1.2 西藏的能源消耗特征12-13
• 1.1.3 西藏的主要气候特征13-15
• 1.1.4 藏西南边远地区实行被动式太阳能采暖的必要性15-16
• 1.2 被动式太阳能采暖研究现状16-22
• 1.2.1 国外被动式太阳能采暖研究现状16-17
• 1.2.2 国内被动式太阳能采暖研究现状17-19
• 1.2.3 相变蓄能建材在被动式太阳房中的应用研究19-21
• 1.2.4 总结与评价21-22
• 1.3 课题研究内容与思路22-25
• 1.3.1 课题研究内容22-24
• 1.3.2 研究思路24-25
• 第2章 区域特征调查与研究25-47
• 2.1 环境资源特征调查25-34
• 2.1.1 气候资源调查25-29
• 2.1.2 建筑结构特征和能源消耗调查29-31
• 2.1.3 可利用建材资源调查31-34
• 2.2 高原建筑热环境分析特征34-41
• 2.2.1 海拔对建筑表面对流换热系数的影响34-38
• 2.2.2 天空背景温度的确定38-41
• 2.3 高原被动式太阳房室内热舒适评价41-44
• 2.3.1 评价指标的选择41-42
• 2.3.2 评价标准的确定42-44
• 2.4 高原被动式太阳房的热舒适特点44-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第3章 稳态热分析47-70
• 3.1 墙体热阻非均匀分布优化47-50
• 3.2 墙体传热系数的修正系数研究50-59
• 3.2.1 研究方法50-52
• 3.2.2 外墙传热系数的修正系数52-57
• 3.2.3 屋顶传热系数的修正系数57-59
• 3.3 窗户集热效率研究59-66
• 3.4 稳态热设计应用66-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 动态热特征研究70-106
• 4.1 简谐热作用下墙体的蓄传热特征70-80
• 4.1.1 墙体对室外温度波的热传递特征71-76
• 4.1.2 墙体对室内温度波的调节特征76-80
• 4.2 直接受益式太阳房数值模拟方法80-82
• 4.3 边防哨所动态热特征研究82-101
• 4.3.1 问题描述82-87
• 4.3.2 表面对流换热系数对太阳房热环境的影响87-90
• 4.3.3 直接受益窗的动态热特征90-94
• 4.3.4 窗户夜间保温的动态热特征94-100
• 4.3.5 连续阴天情况下室内热环境100-101
• 4.4 藏族民居动态热特征研究101-105
• 4.5 本章小结105-106
• 第5章 定形相变材料的应用效果研究106-130
• 5.1 定形相变材料介绍106-107
• 5.2 相变蓄能板的动态热特征分析107-114
• 5.2.1 简化相变蓄能板的动态热特征108-111
• 5.2.2 定形相变蓄能板的动态热特征111-114
• 5.3 定形相变蓄能板在高原太阳房中的应用及优化114-126
• 5.3.1 问题描述114-116
• 5.3.2 影响因素敏感性分析116-118
• 5.3.3 晴天结果与讨论118-124
• 5.3.4 阴天结果与讨论124-126
• 5.4 定形相变材料导热性能改进126-129
• 5.5 本章小结129-130
• 第6章 结论及展望130-133
• 6.1 研究总结130-132
• 6.2 展望132-133
• 参考文献133-141
• 致谢141-142
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果142-144

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