太陽能空氣集熱模塊優(yōu)化運(yùn)行策略的研究

【摘要】： 太陽能空氣采暖系統(tǒng)已經(jīng)有近30年的發(fā)展歷程,它具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、室溫調(diào)節(jié)迅速以及無結(jié)霜結(jié)露現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn),是一種極具應(yīng)用前景的太陽能采暖技術(shù)。針對(duì)我國居住建筑形式大多為多層住宅的國情,研究開發(fā)充分利用南外墻收集利用太陽能的空氣采暖系統(tǒng)成為國家“十一五”期間可再生能源利用領(lǐng)域的重點(diǎn)資助方向。但目前雖然太陽能空氣集熱器單體熱性能的研究已經(jīng)取得較大的進(jìn)展,可是熱輸運(yùn)過程的控制策略仍然是一個(gè)亟待解決的重要問題,這也是影響其實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的瓶頸問題。 本研究中,以自主研發(fā)的太陽能空氣集熱模塊(簡稱模塊)的采暖系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析及模擬計(jì)算相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行模式下模塊熱性能和采暖效果、模塊供熱能力氣候適應(yīng)性、模塊熱循環(huán)流速對(duì)模塊熱效率和室內(nèi)溫度場分布的影響,建立了模塊宏觀物理模型和實(shí)驗(yàn)房環(huán)境控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并在TRNSYS中對(duì)輔助熱源控制系統(tǒng)的進(jìn)行了模擬。 研究內(nèi)容與成果概述如下: (1)通過實(shí)驗(yàn)研究了不同運(yùn)行方式下模塊的換熱強(qiáng)度、供熱量、熱效率和室內(nèi)采暖效果,得出模塊全熱換熱量是顯熱換熱量的1.3～1.5倍,潛熱換熱不可忽略;連續(xù)運(yùn)行時(shí)供熱量和平均熱效率均高于間隔運(yùn)行,但是在風(fēng)機(jī)開啟段,間隔運(yùn)行的逐時(shí)熱效率高于連續(xù)運(yùn)行;非等時(shí)間間隔運(yùn)行時(shí),室內(nèi)溫度場波動(dòng)較小,而等時(shí)間間隔運(yùn)行室內(nèi)溫度波動(dòng)較大,連續(xù)運(yùn)行室內(nèi)溫度波動(dòng)介于二者之間。(2)引入層次分析法,給出了不同氣候條件下模塊區(qū)域氣候適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)方法,提出影響模塊區(qū)域適應(yīng)性指標(biāo)分別為分別是冬季日照率、采暖期的太陽輻射總量、采暖期的日照時(shí)數(shù)、采暖期累年極端最低溫度平均值、采暖期室外平均溫度,確定各自的權(quán)重系數(shù)分別為0.177、0.465、0.233、0.046、0.079,并利用該方法對(duì)采暖區(qū)8個(gè)典型城市的模塊適應(yīng)性做出評(píng)價(jià),這為模塊的在不同區(qū)域氣候供熱能力的計(jì)算和推廣提供了理論依據(jù)。(3)利用實(shí)驗(yàn)和理論研究相結(jié)合的方法研究了模塊內(nèi)部不同流速下模塊供熱量和熱效率,并提出效率歸一化處理方法,研究不同實(shí)驗(yàn)條件下,模塊熱效率與內(nèi)部空氣流速之間的關(guān)系:同時(shí)在hirpak軟件中建立了模塊送風(fēng)模型,研究不同出口風(fēng)速對(duì)室內(nèi)溫度場的影響,得出,流量分別為0.01m~3/s m~3/s、0.02m~3/s、0.03m~3/s時(shí),模塊最佳出口流速分別為1m/s、1.6m/s、2.0m/s,隨著流量的增大,模塊最佳出口風(fēng)速增大。(4)分別建立了模塊換熱模型和實(shí)驗(yàn)房輔助熱源控制系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型,得出模塊出口溫度的計(jì)算公式,并在TRNSYS軟件中建立實(shí)驗(yàn)房輔助熱源控制模型,同是通過調(diào)試確定PID控制器的比例常數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間分別為50,0.1,0.1,利用該控制方法可以使室內(nèi)溫度很好的穩(wěn)定在18℃左右。 【關(guān)鍵詞】：太陽能空氣集熱模塊 熱循環(huán)方式 最佳運(yùn)行流速 控制策略
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TU832.17
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-21
• 1.1 研究背景和意義10
• 1.2 太陽能空氣集熱模塊熱循環(huán)方式及控制策略研究現(xiàn)狀10-19
• 1.2.1 模塊內(nèi)部空氣流動(dòng)特性對(duì)熱性能影響的研究11-13
• 1.2.2 模塊熱輸運(yùn)方式對(duì)室內(nèi)熱性能的影響的研究13-16
• 1.2.3 模塊運(yùn)行控制策略研究16-19
• 1.3 存在的問題與不足19-20
• 1.4 研究內(nèi)容20-21
• 2 模塊熱循環(huán)控制的理論與實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)21-32
• 2.1 模塊瞬時(shí)熱效率及供熱量的計(jì)算方法21-24
• 2.2 控制系統(tǒng)分析及理論基礎(chǔ)24-26
• 2.2.1 數(shù)學(xué)模型24-25
• 2.2.2 拉普拉斯變換及傳遞函數(shù)25-26
• 2.2.3 常用的建筑室內(nèi)溫度控制方法26
• 2.3 模塊熱性能測試方法26-29
• 2.3.1 穩(wěn)態(tài)測試方法26-28
• 2.3.2 動(dòng)態(tài)測試方法28-29
• 2.4 層次分析法29-31
• 2.4.1 遞階層次結(jié)構(gòu)的建立29
• 2.4.2 構(gòu)造判斷矩陣29-30
• 2.4.3 層次排序和一致性檢驗(yàn)30-31
• 2.4.4 隸屬度函數(shù)的選取31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 3 不同運(yùn)行模式下模塊供熱能力及采暖效果研究32-44
• 3.1 實(shí)驗(yàn)概況32-35
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)32-33
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法33-35
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析35-40
• 3.2.1 忽略潛熱交換的誤差分析35-36
• 3.2.2 模塊內(nèi)部的換熱強(qiáng)度分析36-37
• 3.2.3 供熱量與熱效率分析37-38
• 3.2.4 采暖效果分析38-40
• 3.3 模塊供熱能力的氣候適應(yīng)性分析40-42
• 3.3.1 模塊氣候適用性影響因素分析40-41
• 3.3.2 采暖區(qū)典型城市模塊氣候適用性分析41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-44
• 4 模塊最佳熱循環(huán)流速的研究44-57
• 4.1 不同循環(huán)流速下模塊熱性能實(shí)驗(yàn)44-45
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)概述44-45
• 4.1.2 不同風(fēng)速下模塊供熱量與熱效率45
• 4.2 效率歸一化及模塊內(nèi)最佳流速的確定方法45-49
• 4.2.1 效率歸一化的提出46-47
• 4.2.2 效率歸一化方法的驗(yàn)證47-48
• 4.2.3 效率歸一化方法的應(yīng)用48-49
• 4.3 模塊最佳出口風(fēng)速的確定49-55
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)房物理模型49-51
• 4.3.2 數(shù)學(xué)模型51
• 4.3.3 模型求解與驗(yàn)證51-53
• 4.3.4 模塊最佳出口流速的確定53-55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 5 輔助熱源及熱輸送控制策略57-68
• 5.1 模塊理論計(jì)算模型的建立57-61
• 5.1.1 模型描述及假設(shè)條件57-58
• 5.1.2 熱平衡方程及換熱系數(shù)的確定58-59
• 5.1.3 模型驗(yàn)證與誤差分析59-61
• 5.2 輔助熱源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)61-67
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)房室內(nèi)溫度控制模型的建立61-64
• 5.2.2 加熱器、執(zhí)行器和傳感器的傳遞函數(shù)64-65
• 5.2.3 控制方法的確定65
• 5.2.4 控制系統(tǒng)模擬分析65-67
• 5.3 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論與展望68-70
• 創(chuàng)新點(diǎn)70-71
• 參考文獻(xiàn)71-74
• 附錄A TRNSYS功能與應(yīng)用74-75
• 附錄B AIRPAK在室內(nèi)環(huán)境模擬中的應(yīng)用75-76
• 附錄C 熱網(wǎng)絡(luò)圖中各參數(shù)的物理意義76-77
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文情況77-78
• 致謝78-79

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