学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

太阳能相变蓄热供暖系统理论及实验研究

作　者: 李志永
导　师: 陈超
学　校: 北京工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 全玻璃真空管集热器相变蓄热仿真模型优化运行控制策略
分类号: TU832
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 536次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

北京地区地属寒冷地区,冬季供暖期长,供暖能耗占冬季建筑能耗的主要部分。但北京地区有着丰富的太阳能资源,属太阳能资源较富带。如果能充分利用太阳能作为冬季建筑供暖补充能源,则即可以减少化石能源的消耗,又可提高太阳能在建筑供暖能源中的利用率。然而太阳能固有的不稳定性和间歇性,给太阳能的热利用带来了较大的难度。本研究基于课题组多年关于相变蓄热技术的研究成果,充分利用相变蓄热材料相变潜热量大、可以在温度近似恒定的条件下蓄集大量热量的特点,提出将太阳能集热技术与相变蓄热技术结合,构筑太阳能—相变蓄热—新风供暖系统。利用太阳能为冬季新风供暖系统提供补充能源的学术思想,在太阳辐射强度大的情况下,可将多余的太阳热能蓄存在相变蓄热装置内,待夜晚或太阳辐射强度不足时,将预先蓄存在相变蓄热装置的太阳热能向新风供暖系统补充热能,实现了太阳能时间及地点的转移,提高了太阳能在建筑供能中的利用率。基于上述学术思想,本研究依据传热学、流体力学、相变贮能等理论,重点在以下几方面开展了研究工作:(1)建立了应用于闭式循环系统的全玻璃真空管集热器的传热数学模型。基于全玻璃真空管集热器在闭式循环系统中的应用条件,将其传热过程简化为在联集管内的强制流动与在一系列真空管内自然对流过程的耦合。并通过分析集热器的整体的能量转化过程与单根真空管的自然对流过程,推导出了集热器的数学模型。根据此模型,可以分析在室外太阳辐射强度、供水温度、集热器几何尺寸等参数变化条件下,集热器组件出水温度的变化规律。(2)在课题组前期的研究基础上,对已有的相变蓄热装置传热模型进行了完善。并构建了太阳能集热系统与相变蓄热系统的耦合传热模型。利用该模型,可以为太阳能时间和地点的转移,提供定量分析和指导。(3)基于上述研究结果,建立了太阳能—相变蓄热—新风供暖系统的仿真模型。依据该仿真模型,根据北京地区冬季太阳辐射变化规律,对集热系统流量、以及相变材料质量与集热器面积比等参数进行优化设计,并制定了在确保房间供给新风温度相对稳定条件下的系统运行控制策略及其控制条件。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
变量表  7-16
第1章绪论  16-26
  1.1 研究背景及意义  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-23
    1.2.1 全玻璃真空管集热器传热特性研究  17-19
    1.2.2 太阳能—相变蓄热耦合技术  19-22
    1.2.3 系统控制研究  22-23
  1.3 目前研究存在的问题  23-24
  1.4 研究内容  24-25
  1.5 项目资助  25-26
第2章太阳能—相变蓄热—新风供暖系统实验台搭建  26-44
  2.1 太阳能—相变蓄热—新风供暖系统构成及工作原理  26-27
    2.1.1 系统构成  26-27
    2.1.2 工作原理  27
  2.2 北京地区太阳能资源条件  27-29
  2.3 太阳能集热系统设计  29-35
    2.3.1 集热器的选型  29-32
    2.3.2 太阳集热器的安装倾角  32-33
    2.3.3 集热器的前后间距  33
    2.3.4 集热器布置  33-35
  2.4 相变蓄热系统设计  35-38
    2.4.1 相变材料  35-36
    2.4.2 相变蓄热装置  36-37
    2.4.3 相变材料填充方式  37
    2.4.4 相变蓄热系统运行方式  37-38
  2.5 新风供暖系统设计  38
  2.6 测控系统与测试仪器  38-42
    2.6.1 测控系统  38-40
    2.6.2 主要监测参数及测试仪器  40-42
  2.7 本章小结  42-44
第3章全玻璃真空管集热器数学模型的建立  44-70
  3.1 集热器传热过程分析  44-49
    3.1.1 集热器构造  44-45
    3.1.2 集热器能量传递过程  45-48
    3.1.3 真空管内热媒体的流动与传热  48-49
  3.2 单支真空管传热过程分析及传热模型建立  49-60
    3.2.1 壁面温差对自然对流的影响  49-52
    3.2.2 长径比对自然对流的影响  52
    3.2.3 常热流加热对自然对流的影响  52-53
    3.2.4 入射角对自然对流的影响  53-55
    3.2.5 进口温度对自然对流的影响  55-56
    3.2.6 单支真空管能量方程建立及求解  56-59
    3.2.7 单支真空管流动方程建立及求解  59-60
  3.3 真空管与联集管掺混过程的传热过程分析  60-61
  3.4 集热器传热模型及其求解  61-62
  3.5 实验验证  62-68
    3.5.1 实验条件  63-64
    3.5.2 热损系数的测试  64
    3.5.3 透过率与吸收率乘积的测试  64-65
    3.5.4 计算值与实验值比较  65-68
  3.6 本章小结  68-70
第4章太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热  70-94
  4.1 相变蓄热装置数学模型  71-78
    4.1.1 相变蓄热装置传热过程分析  71-72
    4.1.2 影响因素分析  72-73
    4.1.3 传热模型的建立  73-78
  4.2 太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热模型  78-81
    4.2.1 板式换热器传热数学模型  79-80
    4.2.2 管道温降传热计算模型  80
    4.2.3 耦合模型的求解  80-81
  4.3 模型实验验证  81-84
    4.3.1 实验工况  81
    4.3.2 模型验证  81-84
  4.4 太阳能集热器—相变蓄热装置耦合传热特性  84-91
    4.4.1 实验及计算工况  84-85
    4.4.2 流速对蓄热装置温度场的影响  85-88
    4.4.3 流速对相变蓄热装置出口温度的影响  88-89
    4.4.4 流速对蓄热时间的影响  89
    4.4.5 太阳辐射强度，集热器面积对蓄热装置出口温度的影响  89-91
  4.5 本章小结  91-94
第5章太阳能—相变蓄热—新风供暖系统动态仿真模型  94-102
  5.1 系统动态仿真模型基本构成  94-95
  5.2 水—空气式换热器传热数学模型  95-96
  5.3 系统动态仿真模型耦合求解  96-98
  5.4 模型实验验证  98-100
    5.4.1 实验条件  98-99
    5.4.2 仿真结果与实验值比较  99-100
  5.5 本章小结  100-102
第6章太阳能—相变蓄热—新风供暖系统优化设计研究  102-118
  6.1 新风显热负荷的计算  103-104
  6.2 集热器面积的确定  104-106
  6.3 相变蓄热装置设计  106-110
    6.3.1 蓄热量的确定  106-108
    6.3.2 相变蓄热装置设计方法  108-110
  6.4 集热系统优化设计  110-117
    6.4.1 计算条件  111-113
    6.4.2 最佳流量的确定  113-117
  6.5 本章小结  117-118
第7章太阳能—相变蓄热—新风供暖系统控制策略研究  118-128
  7.1 控制策略构成及分类  118-119
    7.1.1 控制策略定义  118
    7.1.2 控制策略构成  118-119
    7.1.3 控制策略分类  119
  7.2 控制目标  119-120
    7.2.1 控制参数  120
    7.2.2 控制难点  120
  7.3 基本运行模式  120-123
    7.3.1 相变蓄热装置供风机盘管机组模式  120-121
    7.3.2 电锅炉供风机盘管机组模式  121
    7.3.3 集热器供风机盘管机组模式  121-122
    7.3.4 集热器边供风机盘管机组边蓄热模式  122
    7.3.5 电锅炉夜间蓄热模式  122-123
  7.4 控制模式转换条件  123-124
  7.5 案例分析  124-126
    7.5.1 基本概况  124-125
    7.5.2 运行过程  125
    7.5.3 运行结果  125-126
  7.6 本章小结  126-128
结论及展望  128-130
参考文献  130-136
攻读博士学位期间所发表的论文  136-138
致谢  138

太阳能相变蓄热供暖系统理论及实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文