与新型百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统实验和理论研究

【摘要】：建筑能耗在国家能源总消费量中占到三分之一左右,其中建筑采暖、制冷、热水耗能约占整个建筑耗能达40%。因此,如何降低建筑采暖、制冷、热水等的能耗和改变能源供应方式对于降低我国能源总消耗具有十分重要的意义。太阳能由于其可再生性以及其对环境友好的优点,是重要的化石能源替代物。将太阳能在建筑中一体化应用,是规模化产业化利用可再生能源、减少建筑能耗中常规能源消耗的重要途径。 在中国北方农村火炕作为采暖的方式得到广泛的应用,使用人口占农村85%(约1.75亿人口)。传统火炕通常利用炕体对炊事时间燃烧稻草、秸秆、柴木等生物质燃料产生的余热进行蓄热,然后对房间进行逐步释放热量以对房间供暖。但在采暖季节大量燃烧生物质燃料不但消耗了大量能源,而且产生了严重的空气污染。因此,对传统火炕采暖方式进行创新是我国北方农村建筑供暖技术改进的关键。本文基于北方太阳能资源丰富和传统火炕的特点,提出了充分吸收传统火炕特点的太阳能炕系统,并将其与新型百叶集热墙结合。该系统充分利用太阳炕的蓄热作用以保证夜晚人们睡眠热舒适度,同时利用百叶集热墙减少白天室内的采暖负荷。论文针对与新型百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统进行了实验研究和理论分析,其主要学术工作如下： 首先,设计并搭建与新型百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统实验平台。对单独太阳能炕工作模式及太阳能炕与百叶集热墙被动采暖耦合运行模式的热工性能进行了实验研究。依据实验结果深入分析太阳能炕、百叶集热墙及建筑的动态热响应过程,从而揭示出太阳能炕、百叶集热墙的换热机理。实验分析为理论建模提供参考依据。 其次,针对实验台系统建立动态数学模型并编制相应程序用于模拟。将模拟结果与实验数据进行比较,验证所建立的动态数学模型的准确性。该程序可以动态分析系统热性能及其作用下建筑室内热环境和人在炕上睡眠热舒适度,为太阳能炕蓄放热特性、太阳能集热系统和百叶集热墙优化分析提供工具。 再次,选取典型的气象参数,采用通过验证的理论模型,理论分析在单独太阳能炕运行模式下室内热环境和人体睡眠热舒适度的情况,并对太阳能炕运行模式、太阳能集热系统进行优化分析。另一方面,利用与百叶集热墙结合的太阳能炕系统理论模型对百叶集热墙系统进行优化分析。结果表明：炕入口温度大于等于50℃(即：如果储热水箱温度大于50℃不进行辅助加热)、加热时间为早上八点至下午五点的太阳能炕运行模式为比较优化的炕运行模式,在该运行模式下人在炕上睡眠热舒适度PM值维持在-0.52至0.41之间,太阳能贡献率为0.598,室内空气波动维持在7.8℃至13.7℃之间而室外空气平均温度为0℃；由于太阳能炕的蓄热作用,太阳能集热系统中的水箱越小越好；百叶集热墙系统中百叶与南墙之间的空气通道间距大约为0.05米时最为合适。 综上所述,本文工作为太阳能炕的热性能研究及其在北方农村的应用提供了科学依据和理论基础。 【关键词】：太阳能炕 百叶集热墙 太阳能集热系统 睡眠热舒适度 主动采暖 被动采暖 太阳能贡献率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU111
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-35
• 1.1 国内能源概况13-15
• 1.1.1 人均能源储备较少13
• 1.1.2 中国能源消耗增长较快13-14
• 1.1.3 能源效率低下14-15
• 1.2 我国建筑能耗与建筑节能基本状况15-17
• 1.2.1 建筑能耗在全国总能耗的比例15-16
• 1.2.2 建筑能耗的特点16
• 1.2.3 建筑节能的基本途径16-17
• 1.3 太阳能与建筑一体化17-22
• 1.3.1 太阳能热水建筑一体化17-19
• 1.3.2 太阳能光伏与建筑一体化(BIPV)19-22
• 1.4 太阳能采暖22-24
• 1.5 太阳能在建筑中采暖研究现状24-28
• 1.5.1 太阳能被动采暖研究现状24-27
• 1.5.2 太阳能主动采暖研究现状27-28
• 1.5.3 太阳能主被动结合的复合式采暖系统研究现状28
• 1.6 我国太阳能资源分布特点28-30
• 1.7 本文研究课题的提出背景及课题研究思路30-32
• 1.7.1 我国北方农村建筑能耗的特点30-31
• 1.7.2 传统火炕供暖的缺陷31
• 1.7.3 传统火炕供暖的研究现状31
• 1.7.4 本课题的提出31-32
• 1.8 本课题主要工作与研究思路32-34
• 1.8.1 研究工作的主要内容32-33
• 1.8.2 研究思路33-34
• 1.9 本章小结34-35
• 第2章 与百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统实验台介绍35-49
• 2.1 引言35
• 2.2 与百叶集热墙结合的太阳能炕复合采暖系统实验平台介绍35-38
• 2.2.1 系统组成35-37
• 2.2.2 系统的工作原理37-38
• 2.3 系统实验台部件选择设计38-45
• 2.3.1 太阳能炕部分38-42
• 2.3.2 热箱部分42-44
• 2.3.3 百叶集热墙系统部分44-45
• 2.4 实验测试仪器性能参数45-48
• 2.4.1 数据采集测试仪器45-46
• 2.4.2 温度测量仪器46
• 2.4.3 太阳能辐照度测量仪器46-47
• 2.4.4 室外风速测量仪器47-48
• 2.4.5 流量计48
• 2.5 本章小节48-49
• 第3章 与百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统实验研究49-70
• 3.1 引言49
• 3.2 实验设计49-52
• 3.2.1 测点布置49-52
• 3.2.2 实验方案52
• 3.3 测试结果与实验结果分析52-68
• 3.3.1 太阳能炕单独运行模式53-62
• 3.3.2 太阳能炕与百叶集热墙耦合运行的模式62-68
• 3.4 本章小结68-70
• 第4章 与百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统理论模型与验证70-91
• 4.1 引言70
• 4.2 与百叶集热墙结合的复合太阳能炕系统热过程分析70-72
• 4.3 与建筑耦合的太阳能炕理论模型72-77
• 4.3.1 围护结构及炕各层的导热模型72-74
• 4.3.2 炕体中水管层的换热模型74-75
• 4.3.3 室内空气换热计算75-76
• 4.3.4 边界条件及公式76-77
• 4.4 太阳能集热系统理论模型77-79
• 4.4.1 太阳能集热器瞬时效率公式推导77-79
• 4.5 百叶集热模块理论模型79-82
• 4.5.1 百叶与南墙之间空气通道模型80-81
• 4.5.2 百叶集热墙模型相关计算公式81-82
• 4.6 系统理论模型验证82-89
• 4.6.1 单独太阳能炕工作模式82-86
• 4.6.2 太阳能炕与百叶集热墙运行工作模式的实验验证86-89
• 4.7 本章小结89-91
• 第5章 太阳能炕系统对睡眠热舒适度影响研究及集热系统与百叶集热墙优化91-115
• 5.1 引言91
• 5.2 太阳能炕系统对睡眠热舒适度影响研究91-110
• 5.2.1 太阳能炕运行模式设定及模拟条件设定91-94
• 5.2.2 睡眠热舒适度模型94-95
• 5.2.3 模拟结果分析95-110
• 5.3 太阳能集热系统优化分析110-112
• 5.4 百叶集热模块优化分析112-114
• 5.5 本章小结114-115
• 第6章 全文总结及后续工作展望115-118
• 6.1 论文主要工作及创新点115-116
• 6.2 后续工作展望116-118
• 参考文献118-124
• 附录1 符号表124-126
• 图表清单126-129
• 攻读学位期间发表的学术论文129-130
• 致谢130

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