青藏高原北部地區(qū)相變輕質(zhì)哨所太陽(yáng)能采暖研究

【摘要】：我國(guó)青藏高原北部地區(qū)駐扎著大量的分散式哨所、兵站及連以下分隊(duì)住用營(yíng)房。由于該地區(qū)冬季漫長(zhǎng),且十分寒冷,冬季供暖對(duì)設(shè)備、物質(zhì)及燃料消耗的壓力很大。許多分散式營(yíng)房由于不適合采用節(jié)能效率較高的集中供暖方式,而主要采取燃油鍋爐等獨(dú)立供暖設(shè)施。一些哨所甚至沒(méi)有采暖措施,嚴(yán)重時(shí)將危及部隊(duì)官兵的生命安全。太陽(yáng)輻射是對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境影響最重要的因素之一,而青藏高原地區(qū)是我國(guó)太陽(yáng)能資源最為豐富的地區(qū)。對(duì)于分散式哨所、兵站及分隊(duì)住用營(yíng)房的冬季采暖而言,提高建筑對(duì)太陽(yáng)能的利用是十分重要的節(jié)能途徑。 地處該區(qū)域營(yíng)房的交通條件較為艱險(xiǎn),建筑材料運(yùn)輸成本高,可施工工期短等情況,使施工質(zhì)量難以得到很好的控制,且很難采用工程量大的傳統(tǒng)建造方式。由于輕質(zhì)建筑施工采用干法作業(yè),建造速度快,近年來(lái)發(fā)展較為迅速,尤其輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑,已成為國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用和發(fā)展較快的新型建筑結(jié)構(gòu)型式。特別是一些有特殊要求的低層建筑,如部隊(duì)營(yíng)房哨所、兵站和大跨度建筑等,應(yīng)用輕質(zhì)建筑的優(yōu)勢(shì)更為明顯。輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖具有保溫隔熱性能好的優(yōu)勢(shì),但其蓄熱性較低,建筑整體熱工性能較差,室內(nèi)溫度波動(dòng)大,基本上不能有效地利用太陽(yáng)輻射熱能用于改善室內(nèi)熱環(huán)境。因此,被動(dòng)式太陽(yáng)房設(shè)計(jì)中明確規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)不宜采用輕質(zhì)墻體材料。 相變材料與顯熱蓄熱材料(如混凝土、磚等)相比,由于蓄熱密度高、重量輕,大副降低對(duì)建筑物構(gòu)造和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,應(yīng)用于輕質(zhì)建筑,能夠顯著提高輕質(zhì)墻體的蓄熱性能。但目前相變材料應(yīng)用于輕質(zhì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,存在許多需待解決的問(wèn)題,如:缺乏較為適宜的作為墻體結(jié)構(gòu)的相變材料制備及特性研究;在滿足使用要求的同時(shí),如何確定與圍護(hù)結(jié)構(gòu)基體結(jié)合,易于施工建造的結(jié)構(gòu)形式;針對(duì)相變材料墻體的蓄熱、放熱特性,如何確定其使用效果評(píng)價(jià)指標(biāo);以及應(yīng)用于不同氣候特征地區(qū)輕質(zhì)建筑的設(shè)計(jì)理論研究及工程實(shí)踐?；谏鲜鰧?duì)于相變材料在墻體中使用前景及存在問(wèn)題的分析,結(jié)合被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù),論文開(kāi)展了利用相變材料改善輕質(zhì)哨所墻體熱工性能和室內(nèi)熱環(huán)境的研究,主要內(nèi)容如下: ①進(jìn)行相變輕質(zhì)墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程分析及計(jì)算研究 伴有相變的傳熱問(wèn)題在數(shù)學(xué)上是一個(gè)強(qiáng)非線性問(wèn)題,對(duì)于不同工況下的相變墻體傳熱過(guò)程將更加復(fù)雜。對(duì)這類情況使用近似方法求解較困難,而數(shù)值方法是處理這類問(wèn)題較為有效的手段。通過(guò)對(duì)相變墻體傳熱特點(diǎn)分析,研究建立相變墻體傳熱過(guò)程解析方程,在此基礎(chǔ)上建立基于有限差分法的相變墻體傳熱數(shù)值計(jì)算模型,為相變墻體設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供計(jì)算分析手段。 ②進(jìn)行相變墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房(Trombe形式)自然對(duì)流換熱模擬研究 對(duì)墻體含相變材料的輕質(zhì)集熱蓄熱墻式(Trombe形式)被動(dòng)太陽(yáng)房進(jìn)行傳熱模型及空氣間層內(nèi)自然對(duì)流換熱的模擬研究,并對(duì)海拔較高地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的對(duì)流換熱系數(shù)及天空背景溫度等參數(shù)進(jìn)行了修正,建立了室內(nèi)空氣溫度的計(jì)算程序。為相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)熱環(huán)境模擬及室內(nèi)溫度的預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)和計(jì)算工具。 ③制備了新型相變材料,并完成相變輕質(zhì)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備。 采用溶膠-凝膠的工藝路線,以飽和脂肪酸為相變材料,制備二氧化硅為載體的復(fù)合相變材料。采用相變材料顆粒/板作為蓄熱功能層、硅鈣纖維板或輕質(zhì)金屬板等墻板材料作為結(jié)構(gòu)支撐層、EPS等有機(jī)保溫材料或無(wú)機(jī)保溫材料作為保溫功能層,完成多種“保溫層+相變蓄熱層+結(jié)構(gòu)層”的輕質(zhì)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備。 ④建立相變輕質(zhì)墻體實(shí)驗(yàn)間,對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證 在西寧地區(qū)建造了相變輕質(zhì)墻體集熱蓄熱墻式(Trombe形式)被動(dòng)太陽(yáng)房實(shí)驗(yàn)間,對(duì)相變輕質(zhì)墻體實(shí)驗(yàn)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及室內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)試,并與理論模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 ⑤提出了相變輕質(zhì)墻體冬季采暖工況使用效果的評(píng)價(jià)指標(biāo) 結(jié)合相變輕質(zhì)墻體的蓄熱、放熱特性及對(duì)室內(nèi)溫度的改善效果,確立了評(píng)價(jià)相變輕質(zhì)墻體冬季采暖工況使用效果的指標(biāo):“累計(jì)日室內(nèi)溫度偏移值”I EX。 ⑥對(duì)冬季采暖工況的相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化 用驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型對(duì)青藏高原北部地區(qū)輕質(zhì)被動(dòng)式太陽(yáng)房進(jìn)行相變墻體使用效果的優(yōu)化分析,對(duì)影響相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)溫度的參數(shù)進(jìn)行多因素多水平優(yōu)化模擬,總結(jié)出相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房?jī)?yōu)化技術(shù)方案。 ⑦指導(dǎo)實(shí)際的工程設(shè)計(jì) 利用上述的理論分析結(jié)論,在西寧及玉樹(shù)地區(qū)進(jìn)行了相變輕質(zhì)墻體工程試點(diǎn),結(jié)果表明:相變材料克服了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)墻體由于不能有效蓄熱,而不宜應(yīng)用于被動(dòng)式太陽(yáng)房設(shè)計(jì)建造的局限,極大地提高了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑對(duì)太陽(yáng)能資源利用效率,使輕質(zhì)建筑也可以應(yīng)用被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)。 總之,論文開(kāi)展了利用相變材料改善輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和室內(nèi)溫度環(huán)境的研究。建立了有關(guān)相變墻體傳熱和輕質(zhì)被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)溫度計(jì)算模型。提出了相變輕質(zhì)墻體冬季采暖工況使用效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。得出了相變材料在部分地區(qū)被動(dòng)式太陽(yáng)房上適用規(guī)律,并開(kāi)展了工程實(shí)踐。論文的部分結(jié)論對(duì)相變墻體在輕質(zhì)建筑中進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,發(fā)揮最佳節(jié)能功效奠定了理論基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：相變材料 被動(dòng)式太陽(yáng)房 數(shù)學(xué)模型 輕質(zhì)哨所 優(yōu)化分析
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TK512
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 課題研究的必要性12-16
• 1.1.1 青藏高原北部地區(qū)營(yíng)房太陽(yáng)能利用的重要性12-13
• 1.1.2 輕質(zhì)建筑在住房需求中的比重日益提高13-14
• 1.1.3 輕質(zhì)建筑墻體蓄熱能力弱熱惰性指標(biāo)低14-15
• 1.1.4 相變材料可以提高輕質(zhì)建筑蓄熱性能15-16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)分析16-19
• 1.2.1 相變材料在太陽(yáng)房中應(yīng)用研究16-17
• 1.2.2 相變墻體傳熱過(guò)程研究17
• 1.2.3 相變墻體的經(jīng)濟(jì)性研究17-18
• 1.2.4 相關(guān)研究現(xiàn)狀分析18-19
• 1.3 論文工作的提出與研究?jī)?nèi)容19-22
• 1.3.1 論文工作的提出19
• 1.3.2 研究?jī)?nèi)容19-22
• 2 相變墻體傳熱及室內(nèi)空氣溫度的數(shù)值模擬方法22-44
• 2.1 相變傳熱問(wèn)題分析22-28
• 2.1.1 相變傳熱特性22-24
• 2.1.2 相變墻體傳熱過(guò)程解析方程24-26
• 2.1.3 移動(dòng)界面的非線性特征26
• 2.1.4 基于焓法的一維相變墻體傳熱模型26-28
• 2.2 相變墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)溫度的數(shù)值模擬28-37
• 2.2.1 物理模型28-29
• 2.2.2 數(shù)學(xué)模型29-37
• 2.3 參數(shù)修正37-43
• 2.3.1 換熱系數(shù)修正37-42
• 2.3.2 天空背景溫度修正42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 3 相變材料制備及輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房實(shí)驗(yàn)44-82
• 3.1 相變輕質(zhì)墻體材料制備44-64
• 3.1.1 復(fù)合相變顆粒材料制備46-48
• 3.1.2 二氧化硅/飽和脂肪酸復(fù)合相變材料制備48-51
• 3.1.3 復(fù)合相變材料表征及性能分析51-55
• 3.1.4 相變墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)55-61
• 3.1.5 輕質(zhì)相變墻體熱工參數(shù)分析61-64
• 3.2 采暖工況實(shí)驗(yàn)64-74
• 3.2.1 相變輕質(zhì)墻體太陽(yáng)房實(shí)驗(yàn)設(shè)置64-69
• 3.2.2 無(wú)輔助熱源實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析69-71
• 3.2.3 輔助熱源實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析71-74
• 3.3 被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)空氣溫度模型驗(yàn)證74-80
• 3.3.1 模擬條件設(shè)置75-78
• 3.3.2 房間空氣溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較78-80
• 3.4 本章小結(jié)80-82
• 4 相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房性能評(píng)價(jià)分析82-106
• 4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定82-85
• 4.2 模擬參數(shù)的設(shè)置85-87
• 4.2.1 模擬建筑86
• 4.2.2 模擬參數(shù)配置86-87
• 4.3 影響因素分析87-104
• 4.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的驗(yàn)證88-91
• 4.3.2 相變材料厚度及溫度雙因素分析91-98
• 4.3.3 保溫層厚度因素分析98-99
• 4.3.4 被動(dòng)式太陽(yáng)房玻璃蓋層因素分析99-100
• 4.3.5 被動(dòng)式太陽(yáng)房通風(fēng)口面積因素分析100-102
• 4.3.6 相變輕質(zhì)墻體優(yōu)化設(shè)計(jì)102-104
• 4.4 本章小結(jié)104-106
• 5 相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房應(yīng)用設(shè)計(jì)理論及工程實(shí)踐106-124
• 5.1 相變墻體應(yīng)用的基本原則106-109
• 5.2 相變墻體應(yīng)用設(shè)計(jì)方法109-112
• 5.3 相變輕質(zhì)墻體被動(dòng)式太陽(yáng)房工程實(shí)踐112-123
• 5.3.1 相變輕質(zhì)墻體哨所工程應(yīng)用113-119
• 5.3.2 相變輕質(zhì)墻體戰(zhàn)士宿舍工程應(yīng)用119-121
• 5.3.3 綜合效益分析121-123
• 5.4 本章小結(jié)123-124
• 6 結(jié)論與建議124-128
• 6.1 結(jié)論124-125
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)125-126
• 6.3 建議126-128
• 致謝128-130
• 參考文獻(xiàn)130-140
• 附錄140-142

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被動(dòng)式太陽(yáng)能樓房    沈若玫

被動(dòng)式太陽(yáng)房的建造與使用    高援朝;

行列式布置的被動(dòng)式太陽(yáng)房合理間距    周兆駒，王崇杰

被動(dòng)式太陽(yáng)房    王榮光;

淺談寒冷地區(qū)被動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)與施工    杜顯斌;

用熱泵作被動(dòng)式太陽(yáng)房輔助熱源的研究    敖永安，王書(shū)文，馬志泓

被動(dòng)式太陽(yáng)房相變材料的實(shí)驗(yàn)研究    崔中敏,周兆駒

淺談被動(dòng)式太陽(yáng)房的應(yīng)用    陳廷芳

當(dāng)前建筑中太陽(yáng)能利用的現(xiàn)狀分析    梅留杰;何立權(quán);

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑中太陽(yáng)能能源利用的現(xiàn)狀分析    張科萌;王振江;

太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)及其在青海地區(qū)的適應(yīng)性    喜文華;張?zhí)m英;袁俊;王伯軍;

淺論太陽(yáng)能與建筑相結(jié)合    殷瑞軍;高仁賢;

相變儲(chǔ)能房間節(jié)能技術(shù)研究應(yīng)用進(jìn)展及拓展?jié)摿?nbsp;   黃凱良;馮國(guó)會(huì);劉馨;

太陽(yáng)能的綜合利用    尚艷苓;

被動(dòng)式太陽(yáng)房省煤一半    特約記者高永明

讓新能源造福西藏各族人民    科宣

牧民喜歡的“科技房”    本報(bào)記者 馬悍德

臺(tái)灣大學(xué)教授韓選堂：海南可以多發(fā)展“陽(yáng)光房”    記者 洪寶光　特約記者 傅林 通訊員 林先鋒

我區(qū)廣泛利用太陽(yáng)能資源    記者尼瑪潘多

科技力推我區(qū)經(jīng)濟(jì)駛上“快車(chē)道”    記者 馬疆虎

“陽(yáng)光建筑”在青海拔地而起    本報(bào)記者 張利鋒

國(guó)外太陽(yáng)能住宅發(fā)展現(xiàn)狀    關(guān)畔澄

架起通向新生活的“金橋”    李金祥 本報(bào)記者 馬疆虎

隴南地區(qū)災(zāi)后重建大量采用新墻材新能源    駐甘肅記者王琰田

青藏高原北部地區(qū)相變輕質(zhì)哨所太陽(yáng)能采暖研究    莊春龍

藏西南邊遠(yuǎn)地區(qū)直接受益式太陽(yáng)能采暖研究    肖偉

西藏高原低能耗居住建筑構(gòu)造體系研究    桑國(guó)臣

高寒地區(qū)利用太陽(yáng)能改善農(nóng)戶熱舒適性的實(shí)證研究    羅光華

太陽(yáng)能與建筑集成設(shè)計(jì)及其仿真評(píng)價(jià)研究    潘時(shí)

石家莊地區(qū)村鎮(zhèn)居住建筑被動(dòng)式太陽(yáng)能利用優(yōu)化研究    劉闊

山東內(nèi)陸地區(qū)農(nóng)村被動(dòng)式太陽(yáng)房節(jié)能設(shè)計(jì)研究    周恒

寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的被動(dòng)太陽(yáng)能設(shè)計(jì)建造    田卓勛

川西高原生態(tài)建筑被動(dòng)采暖技術(shù)研究    祁清華

高海拔地區(qū)生態(tài)建筑熱環(huán)境及設(shè)計(jì)策略研究    謝浩

被動(dòng)式太陽(yáng)房的理論與試驗(yàn)研究    曾艷

太陽(yáng)能建筑負(fù)荷一體化研究    王偉良

被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)熱環(huán)境分析    張紅梅

寒冷地區(qū)被動(dòng)式太陽(yáng)房室內(nèi)人體舒適性的研究    丁穎慧

被動(dòng)式采暖降溫技術(shù)對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)作用的研究    孫鵬