與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗和理論研究

【摘要】： 在社會能源總消耗中,建筑耗能約占30-40%。其中,建筑采暖、制冷、熱水耗能約占整個建筑耗能達(dá)40%,因此,建筑采暖、制冷、熱水供應(yīng)中的能源利用方式和能源利用效率,直接影響到我國能源的總體利用情況。太陽能因為其可再生以及對環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),是重要的化石能源替代物,在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽能利用技術(shù)將是規(guī)模化發(fā)展可再生能源、降低建筑能耗中常規(guī)能源比例的重要途徑。當(dāng)前,在建筑中應(yīng)用的太陽能利用技術(shù)中,太陽能制熱水和太陽能采暖是兩種較為普遍的應(yīng)用形式。 在太陽能采暖應(yīng)用中,有幾種比較典型的系統(tǒng)如Trombe墻系統(tǒng)、對Trombe墻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的復(fù)合Trombe墻系統(tǒng)、解決傳統(tǒng)Trombe墻功能單一等問題而提出的新型光伏Trombe墻系統(tǒng)以及采用金屬板作為吸熱板的Barra-Costantini系統(tǒng)等。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)既有主動系統(tǒng)也有被動系統(tǒng),都只是基于實(shí)現(xiàn)冬季太陽能采暖功能所進(jìn)行的設(shè)計,在冬季,也確實(shí)能實(shí)現(xiàn)很好的太陽能建筑采暖目的,但由于都未考慮非建筑采暖期太陽能利用的問題,導(dǎo)致這類傳統(tǒng)系統(tǒng)存在只適合于冬季應(yīng)用,在全年其他時期無法實(shí)現(xiàn)太陽能的有效利用。因此,傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)存在適合地域少、全年利用時間短的缺點(diǎn)。此外,從已有研究來看,目前傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)特別是被動采暖系統(tǒng)常會導(dǎo)致建筑夏季過熱問題。如Trombe墻系統(tǒng)、Barra-Costantini系統(tǒng)在夏季都只是以朝室外開風(fēng)口方式使熱量向室外排放,但由于玻璃蓋板的溫室作用,朝室外開風(fēng)口方式也只能在一定程度上緩解問題,仍不能避免建筑過熱問題。而且,在實(shí)際使用中,用戶,特別是高層建筑住戶,進(jìn)行開啟/密閉朝室外的兩個風(fēng)口的操作很不方便,也制約了用戶采用該類系統(tǒng)的積極性。為解決這些問題,我們提出了一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)。該新型系統(tǒng)帶有一種特別設(shè)計的新型集熱模塊——與建筑一體化太陽能雙效集熱器模塊,具有兩種獨(dú)立功能：一是在冬季時采用被動采暖工作模式運(yùn)行以給建筑供暖,二是在建筑無需供暖時期采用集熱水工作模式運(yùn)行以制熱水。該設(shè)計概念可以使系統(tǒng)全年的利用率得到大大提高,經(jīng)濟(jì)性更好；另外,從結(jié)構(gòu)上講,該新型系統(tǒng)比太陽能熱水墻多一與建筑室內(nèi)房間相連的風(fēng)口結(jié)構(gòu),比常用被動采暖系統(tǒng)少一夏季用于朝室外環(huán)境開啟的風(fēng)口結(jié)構(gòu),減少的風(fēng)口結(jié)構(gòu)將使避免傳統(tǒng)被動采暖系統(tǒng)需要在室外操作朝室外的兩個風(fēng)口所造成的用戶使用不方便的問題。 設(shè)計并加工得到了與建筑一體化太陽能雙效集熱器模塊,并以此在熱箱實(shí)驗平臺上搭建了系統(tǒng)實(shí)驗臺。根據(jù)系統(tǒng)的概念特點(diǎn),對實(shí)驗系統(tǒng)的兩種工作模式——以自然循環(huán)方式工作的集熱水工作模式和被動采暖工作模式的性能進(jìn)行了測試和分析。實(shí)驗結(jié)果表明,系統(tǒng)的兩種工作模式,在其相應(yīng)的工作時期都能有效利用太陽能。此外,研究結(jié)果還表明,系統(tǒng)表現(xiàn)出一些與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同的熱特性。如系統(tǒng)在夏季時所加熱水的太陽得熱比春季時明顯要低,而得到的熱水終溫春夏季節(jié)相近。而在被動采暖工作模式時,系統(tǒng)的白天期間系統(tǒng)房間內(nèi)空氣溫度分層現(xiàn)象與投射在集熱器集熱面上的太陽輻照強(qiáng)度兩者間存在數(shù)學(xué)上的線性關(guān)系。 針對與建筑一體化太陽能雙效集熱器實(shí)驗系統(tǒng)的兩種工作模式,本文分別建立了其各自的與建筑耦合傳熱計算模型,并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。模擬結(jié)果和實(shí)驗結(jié)果對比顯示,采用所建立的關(guān)于集熱水工作模式的系統(tǒng)理論模型模擬計算系統(tǒng)集熱水效率與實(shí)驗結(jié)果的相對絕對誤差最大僅為2.6%,而且模擬計算得到的房間空氣溫度的RMSD僅為0.4℃。因此,可以得到,關(guān)于系統(tǒng)以自然循環(huán)工作方式工作在集熱水工作模式下所建立的理論模型準(zhǔn)確,可以用來模擬預(yù)測系統(tǒng)在該方式下工作時的性能情況。關(guān)于系統(tǒng)被動采暖工作模式所建立的理論模型模擬計算同樣能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果,但相比關(guān)于集熱水工作模式下所建立的理論模型,其計算誤差要約高些。綜合來看,關(guān)于系統(tǒng)兩種工作模式所建立的集熱器模塊與建筑耦合的系統(tǒng)傳熱計算模型都得到實(shí)驗結(jié)果的驗證,模型準(zhǔn)確可靠。 通過驗證的理論模型模擬計算,對比了實(shí)驗用黑鎳選擇性涂層與普通黑漆涂料對系統(tǒng)房間空氣溫度的影響情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)采用黑鎳選擇性吸收涂層可以極大地提高系統(tǒng)集熱性能,利于建筑房間獲得更多的太陽得熱。模擬研究還表明,不同特性的黑鎳選擇性涂層對系統(tǒng)性能的影響情況為：當(dāng)涂層吸收率相同時,系統(tǒng)房間空氣的期間平均溫度隨涂層發(fā)射率增大而線性降低；當(dāng)涂層發(fā)射率相同時,系統(tǒng)房間空氣的期間平均溫度隨涂層吸收率增大而線性升高。 在已建立的關(guān)于實(shí)驗系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱水工作模式下的理論模型的基礎(chǔ)上,將理論模型拓展至了將集熱器模塊安裝在帶窗結(jié)構(gòu)的房間的情況。以具有實(shí)際房間結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)的虛擬房間為對象,分析了在夏秋季節(jié)系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱水工作模式下的熱特性情況。研究結(jié)果得到,系統(tǒng)在夏季工作時可以在一定程度上降低房間的冷負(fù)荷(降低約2.05%)。這個結(jié)果說明,系統(tǒng)不會造成傳統(tǒng)被動采暖系統(tǒng)常遇到的夏季建筑過熱問題。但在秋季時,其熱特性情況會和夏季時有所區(qū)別。在秋季時,從全天來看,會造成房間冷負(fù)荷的上升,但同時降低房間的熱負(fù)荷?？傮w上,會增加建筑房間的負(fù)荷量。但由于秋季室外溫度低,房間的冷負(fù)荷需求可以通過與環(huán)境的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn),因此,仍然可以認(rèn)為系統(tǒng)在秋季運(yùn)行時對建筑的熱影響是可以接受的。 通過分析了系統(tǒng)在不同季節(jié)運(yùn)行時,系統(tǒng)的工作水量和背板保溫層設(shè)計對系統(tǒng)集熱水性能和對建筑的熱影響情況。得到,對于系統(tǒng)設(shè)計來說,背板保溫層的適宜設(shè)計厚度約在0.05m,工作水量在夏季運(yùn)行時的適宜量約是40kg/m2-50kg/m2,而在秋季時約為50kg/m2-60kg/m2。 【關(guān)鍵詞】：太陽能建筑一體化 被動采暖 集熱水 太陽能光熱建筑一體化 與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng) 建筑冷/熱負(fù)荷 熱效率
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TK512;TU832
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-11
• 目錄11-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 太陽能利用的重要概念:太陽能建筑一體化14-16
• 1.2 太陽能被動采暖16-23
• 1.3 太陽能熱水建筑一體化23-28
• 1.3.1 太陽能熱水建筑一體化是發(fā)展必然24-25
• 1.3.2 太陽能熱水建筑一體化設(shè)計概念25-26
• 1.3.3 太陽能熱水建筑一體化設(shè)計內(nèi)容26
• 1.3.4 太陽能熱水建筑一體化發(fā)展的關(guān)鍵:集熱器建材化26-28
• 1.4 太陽能被動采暖和太陽能熱水發(fā)展現(xiàn)存問題28-29
• 1.5 太陽能建筑一體化示范系統(tǒng)29-34
• 1.6 我國的太陽能資源分布狀況34-35
• 1.7 論文主要工作35
• 1.8 本章小結(jié)35-38
• 第2章 與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)介紹38-44
• 2.1 系統(tǒng)功能38
• 2.2 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理38-43
• 2.3 本章小結(jié)43-44
• 第3章 與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗研究44-60
• 3.1 實(shí)驗系統(tǒng)簡介44
• 3.2 實(shí)驗測試方法44-47
• 3.3 集熱水工作模式下的實(shí)驗研究47-53
• 3.3.1 集熱水熱效率47-49
• 3.3.2 春夏季節(jié)的集熱水性能比較49-53
• 3.4 被動采暖工作模式53-57
• 3.5 本章小結(jié)57-60
• 第4章 與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的理論模型和實(shí)驗驗證60-76
• 4.1 理論模型60-68
• 4.1.1 集熱水工作模式下集熱器模塊的熱平衡方程60-63
• 4.1.2 被動采暖工作模式下集熱器模塊熱平衡方程63-64
• 4.1.3 建筑房間64-66
• 4.1.3.1 一般圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱平衡方程64-66
• 4.1.3.2 集熱器模塊與建筑耦合傳熱計算66
• 4.1.4 室內(nèi)空氣溫度66-67
• 4.1.5 換熱系數(shù)67-68
• 4.1.5.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)對流換熱系數(shù)67
• 4.1.5.2 集熱器模塊內(nèi)的換熱系數(shù)67-68
• 4.2 模型驗證68-75
• 4.2.1 集熱水工作模式69-72
• 4.2.2 被動采暖工作模式72-75
• 4.3 本章小結(jié)75-76
• 第5章 涂層光學(xué)特性對系統(tǒng)在被動采暖工作模式下的性能影響76-82
• 5.1 引言76
• 5.2 實(shí)驗測試結(jié)果和模擬計算76-79
• 5.3 涂層特性對系統(tǒng)性能的影響79-81
• 5.4 本章小結(jié)81-82
• 第6章 系統(tǒng)在集熱水工作模式下的理論研究82-100
• 6.1 引言82
• 6.2 主要參數(shù)82-83
• 6.3 理論模型83-87
• 6.3.1 有窗結(jié)構(gòu)房間的理論模型85-86
• 6.3.2 空調(diào)房間的冷/熱負(fù)荷計算86-87
• 6.4 系統(tǒng)在集熱水工作模式下對建筑負(fù)荷的影響研究87-94
• 6.4.1 在夏季工作時對建筑負(fù)荷的影響87-90
• 6.4.2 秋季工作時對建筑負(fù)荷的影響90-94
• 6.5 不同工作水量和模塊背板保溫設(shè)計對系統(tǒng)性能的影響94-98
• 6.5.1 對集熱水性能的影響94-95
• 6.5.2 對建筑負(fù)荷的影響95-98
• 6.6 本章小結(jié)98-100
• 第7章 工作總結(jié)和展望100-102
• 7.1 工作總結(jié)100
• 7.2 后續(xù)工作展望100-102
• 參考文獻(xiàn)102-108
• 附錄1符號表108-110
• 附錄2幾種特征矩陣的解法程序110-118
• 附錄3圖表清單118-124
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文124-126
• 致謝126-127

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太陽能空氣集熱器熱性能的實(shí)驗研究    邱林;鄒越;黃莉;任耿;閆敏;

高承壓性集熱器板芯多材復(fù)合制造工藝的探尋    李韜鵬;

太陽能建材技術(shù)的研究與開發(fā)——新型平板式集熱器的設(shè)計和性能    趙春江;王恒龍;

太陽能空氣集熱器傳熱性能實(shí)驗研究    魏琪;趙俊;

新型太陽能光伏光熱集熱器的實(shí)驗研究    李寧軍;趙耀華;梁琳;戴旭;

平板型太陽能空氣集熱器研究進(jìn)展    李麗艷;

太陽能熱利用科普問答(一)    驀妮

太陽能光熱系統(tǒng) 上還是不上？    馬琳

雨棚和墻體裝飾都是集熱器    本報記者 鄒偉

桑普平板式集熱器獨(dú)領(lǐng)市場風(fēng)騷    本報記者 戴志忠

一部集熱器能供兩萬人同時洗浴?    石北燕

一個發(fā)明家的價值觀    本報記者 李家杰

設(shè)計多類型系統(tǒng) 完善太陽能熱利用市場    本報記者 蒙華 劉榮慧

北京櫻桃溝村民用能六成來自太陽能    記者 蒙華

與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗和理論研究    羅成龍

SCPC集熱器及其太陽能熱泵熱水系統(tǒng)研究    穆振英

蜂窩平板式太陽能空氣集熱器及太陽墻的研究    張立平

帶蓄熱的開放式集熱器性能的理論和實(shí)驗研究    張靜敏

采用沖縫型吸熱板的新型太陽能空氣集熱器的熱性能研究    劉丹

復(fù)合拋物面型集熱器性能研究    張曉東

一種新型太陽能空氣集熱器的熱性能研究    馮其明

一種新型滲透式太陽能空氣集熱器的熱性能研究    高煜

光伏光熱綜合利用系統(tǒng)集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究    彭文

高寒地區(qū)太陽能建筑集熱器的開發(fā)研究    趙振虎

關(guān)于拋物槽集熱器的光學(xué)與熱學(xué)的性能研究    劉毓偉

具有玻璃管蜂窩蓋板的太陽能空氣集熱器的研究    張志強(qiáng)