耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑供暖特性

【摘要】：耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑供暖是指將太陽能空氣集熱器所加熱的空氣在風機驅(qū)動下通過建筑圍護結(jié)構(gòu)連通空氣層進行熱輸送,提升建筑六面體內(nèi)表面溫度,從而實現(xiàn)房間均勻輻射供暖的一種方式。此種供暖方式改善了熱空氣供暖所帶來的干熱、不均勻輻射等引起的不舒適和健康影響,同時利用圍護結(jié)構(gòu)蓄熱有效抑制了太陽能建筑晝夜室溫的波動,并在一定程度上解決了夜間供暖問題。本文從耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑設(shè)計、采暖降溫方案、自動運行系統(tǒng)、實驗平臺搭建到實驗研究、理論分析模擬驗證與自然運行室溫預(yù)測等開展了系統(tǒng)的研究,其研究成果為耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑設(shè)計、運行調(diào)控及地區(qū)適用性提供了理論參考依據(jù)。本文主要研究內(nèi)容與成果如下：首先,通過建筑氣候設(shè)計確定了大連地區(qū)被動式采暖降溫方案與耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑形式,并根據(jù)建筑熱需求,同時兼顧權(quán)衡大連地區(qū)冬季得熱與夏季降溫,確定了熱空氣循環(huán)形式、空氣間層厚度、蓄熱材料布置方式等。并在此基礎(chǔ)上搭建了足尺大閉式循環(huán)空氣層太陽能實驗房與對比房。其次,為實現(xiàn)耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑全天自動運行,構(gòu)建了太陽能空氣采暖智能聯(lián)動控制風機與風門運行系統(tǒng)。太陽能空氣集熱器出口空氣溫度大于22℃,風機風門自動開啟；太陽能空氣集熱器出口空氣溫度小于18℃,風機風門自動關(guān)閉。最大檔啟動,自動逐檔調(diào)控風機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空氣流量保證集熱器進出口溫差10～15℃?？刂茀?shù)采用太陽輻射照度平均值代替瞬時值以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；風機延遲10min開啟以避免室溫驟降；風門延遲10min關(guān)閉以利用太陽能空氣集熱器內(nèi)余熱。第三,本文基于足尺大實驗平臺通過調(diào)節(jié)太陽能空氣采暖系統(tǒng)送風方式、外遮陽卷簾與南向窗夜間移動外保溫等形成五種實驗工況,采用計算機多通道巡回檢測系統(tǒng)開展了采暖效果、蓄放熱特性、夜間外保溫與室內(nèi)熱環(huán)境特性等實驗研究。研究表明：1)直接受益窗采暖比太陽能空氣集熱器采暖提前50min達到被動式太陽能采暖房間設(shè)計溫度下限值13℃,而太陽能空氣采暖系統(tǒng)因溫控材料明顯的蓄熱效應(yīng),在一定程度上抑制了室溫波動,使室內(nèi)空氣溫度較直接受益窗采暖延遲180min低于設(shè)計溫度下限值；2)TCM材料的保溫蓄熱作用使夜間平均室內(nèi)空氣溫度提高了6.5℃,顯著改善了室內(nèi)熱穩(wěn)定性；3)南向窗夜間移動保溫減少了實驗房10%熱損失,玻璃窗內(nèi)壁面溫度提高了2.0℃,在一定程度上削弱了夜間局部冷輻射影響；4)在太陽能空氣采暖系統(tǒng)作用下實驗房體感溫度全天略高于或等于室內(nèi)空氣溫度,這是由于房屋構(gòu)造為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)所致。最后,根據(jù)耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑空氣間層內(nèi)空氣流動狀態(tài)劃分為日間采暖與夜間保溫兩種情況,基于空氣間層傳熱理論并在TCM蓄熱系統(tǒng)中引入相變蓄熱飽和度建立了太陽能空氣集熱器與直接受益窗共同采暖下的蓄熱傳熱數(shù)學模型,模擬得到室內(nèi)空氣溫度、TCM蓄熱層溫度與相變蓄熱飽和度,并采用實驗數(shù)據(jù)進行了驗證,結(jié)果表明模擬值與實測值基本吻合,得到相變蓄熱飽和度的表達式。利用蓄熱與傳熱模型,得到自然運行室溫一維預(yù)測公式,探討了不同建筑熱工特性及氣候條件對耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。 【關(guān)鍵詞】：閉式循環(huán)空氣層 太陽能建筑 輻射供暖 溫控材料 自然運行室溫預(yù)測
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU832;TU18
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-19
• 1.1 研究背景及意義11-14
• 1.1.1 傳統(tǒng)太陽能建筑環(huán)境營造特征11-12
• 1.1.2 太陽能空氣采暖系統(tǒng)建筑集成應(yīng)用形式12-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.2.1 空氣間層熱量傳輸14-15
• 1.2.2 建筑蓄熱15
• 1.2.3 基于建筑壁面輻射環(huán)境調(diào)控性能15-16
• 1.2.4 耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑熱特性16-17
• 1.3 本文研究要點與思路17-19
• 1.3.1 研究要點17-18
• 1.3.2 研究思路18-19
• 2 耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能建筑構(gòu)筑方法19-34
• 2.1 本章引論19
• 2.2 設(shè)計目標與原則19-20
• 2.3 自然能源利用潛力與建筑熱需求匹配20-25
• 2.4 建筑集成采暖降溫系統(tǒng)設(shè)計方案探討25-31
• 2.4.1 建筑熱工設(shè)計25-28
• 2.4.2 采暖降溫方案28-30
• 2.4.3 耦合蓄熱輻射采暖降溫系統(tǒng)建筑一體化設(shè)計30-31
• 2.5 運行調(diào)控策略31-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 3 太陽能空氣供暖自動運行系統(tǒng)構(gòu)建34-39
• 3.1 本章引論34
• 3.2 自動運行系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)控方法34-37
• 3.2.1 自動運行調(diào)控構(gòu)件34-35
• 3.2.2 自動運行調(diào)控方法35-36
• 3.2.3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測36-37
• 3.3 自動運行系統(tǒng)性能分析與改善37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 4 供暖特性實驗研究39-66
• 4.1 本章引論39
• 4.2 實驗概要39-44
• 4.2.1 實驗對象39-40
• 4.2.2 測試方法40-44
• 4.3 供暖特性分析44-64
• 4.3.1 采暖形式48-54
• 4.3.2 TCM蓄熱54-58
• 4.3.3 夜間移動式保溫58-60
• 4.3.4 室內(nèi)熱環(huán)境分析60-64
• 4.4 本章小結(jié)64-66
• 5 蓄放熱特性及自然運行室溫預(yù)測理論研究66-80
• 5.1 本章引論66
• 5.2 蓄熱與熱傳輸過程數(shù)學模型建立66-75
• 5.2.1 物理模型66-68
• 5.2.2 空氣間層傳熱模型68-70
• 5.2.3 TCM蓄熱模型70-71
• 5.2.4 室內(nèi)空氣熱平衡方程71-72
• 5.2.5 傳熱模型簡化與求解72-75
• 5.3 模型驗證75-77
• 5.4 自然運行室溫預(yù)測77-79
• 5.5 本章小結(jié)79-80
• 6 結(jié)論與展望80-83
• 6.1 結(jié)論80-81
• 6.2 展望81-83
• 參考文獻83-89
• 附錄A 智能控制與監(jiān)測記錄算法程序89-102
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況102
• 攻讀碩士學位期間參與的科研項目102-103
• 致謝103-104

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