青藏高原北部地区相变轻质哨所太阳能采暖研究

【摘要】：我国青藏高原北部地区驻扎着大量的分散式哨所、兵站及连以下分队住用营房。由于该地区冬季漫长,且十分寒冷,冬季供暖对设备、物质及燃料消耗的压力很大。许多分散式营房由于不适合采用节能效率较高的集中供暖方式,而主要采取燃油锅炉等独立供暖设施。一些哨所甚至没有采暖措施,严重时将危及部队官兵的生命安全。太阳辐射是对建筑室内环境影响最重要的因素之一,而青藏高原地区是我国太阳能资源最为丰富的地区。对于分散式哨所、兵站及分队住用营房的冬季采暖而言,提高建筑对太阳能的利用是十分重要的节能途径。 地处该区域营房的交通条件较为艰险,建筑材料运输成本高,可施工工期短等情况,使施工质量难以得到很好的控制,且很难采用工程量大的传统建造方式。由于轻质建筑施工采用干法作业,建造速度快,近年来发展较为迅速,尤其轻型钢结构建筑,已成为国内外目前应用和发展较快的新型建筑结构型式。特别是一些有特殊要求的低层建筑,如部队营房哨所、兵站和大跨度建筑等,应用轻质建筑的优势更为明显。轻质围护结构虽具有保温隔热性能好的优势,但其蓄热性较低,建筑整体热工性能较差,室内温度波动大,基本上不能有效地利用太阳辐射热能用于改善室内热环境。因此,被动式太阳房设计中明确规定围护结构不宜采用轻质墙体材料。 相变材料与显热蓄热材料(如混凝土、砖等)相比,由于蓄热密度高、重量轻,大副降低对建筑物构造和结构强度的要求,应用于轻质建筑,能够显著提高轻质墙体的蓄热性能。但目前相变材料应用于轻质建筑围护结构中,存在许多需待解决的问题,如:缺乏较为适宜的作为墙体结构的相变材料制备及特性研究;在满足使用要求的同时,如何确定与围护结构基体结合,易于施工建造的结构形式;针对相变材料墙体的蓄热、放热特性,如何确定其使用效果评价指标;以及应用于不同气候特征地区轻质建筑的设计理论研究及工程实践。基于上述对于相变材料在墙体中使用前景及存在问题的分析,结合被动式太阳房技术,论文开展了利用相变材料改善轻质哨所墙体热工性能和室内热环境的研究,主要内容如下: ①进行相变轻质墙体非稳态传热过程分析及计算研究 伴有相变的传热问题在数学上是一个强非线性问题,对于不同工况下的相变墙体传热过程将更加复杂。对这类情况使用近似方法求解较困难,而数值方法是处理这类问题较为有效的手段。通过对相变墙体传热特点分析,研究建立相变墙体传热过程解析方程,在此基础上建立基于有限差分法的相变墙体传热数值计算模型,为相变墙体设计和应用提供计算分析手段。 ②进行相变墙体被动式太阳房(Trombe形式)自然对流换热模拟研究 对墙体含相变材料的轻质集热蓄热墙式(Trombe形式)被动太阳房进行传热模型及空气间层内自然对流换热的模拟研究,并对海拔较高地区建筑围护结构表面的对流换热系数及天空背景温度等参数进行了修正,建立了室内空气温度的计算程序。为相变轻质墙体被动式太阳房室内热环境模拟及室内温度的预测提供了理论基础和计算工具。 ③制备了新型相变材料,并完成相变轻质墙体结构设计和制备。 采用溶胶-凝胶的工艺路线,以饱和脂肪酸为相变材料,制备二氧化硅为载体的复合相变材料。采用相变材料颗粒/板作为蓄热功能层、硅钙纤维板或轻质金属板等墙板材料作为结构支撑层、EPS等有机保温材料或无机保温材料作为保温功能层,完成多种“保温层+相变蓄热层+结构层”的轻质墙体结构设计和制备。 ④建立相变轻质墙体实验间,对模型的有效性进行验证 在西宁地区建造了相变轻质墙体集热蓄热墙式(Trombe形式)被动太阳房实验间,对相变轻质墙体实验间围护结构内表面及室内温度进行测试,并与理论模型的计算结果进行对比验证。 ⑤提出了相变轻质墙体冬季采暖工况使用效果的评价指标 结合相变轻质墙体的蓄热、放热特性及对室内温度的改善效果,确立了评价相变轻质墙体冬季采暖工况使用效果的指标:“累计日室内温度偏移值”I EX。 ⑥对冬季采暖工况的相变轻质墙体被动式太阳房技术进行优化 用验证的数学模型对青藏高原北部地区轻质被动式太阳房进行相变墙体使用效果的优化分析,对影响相变轻质墙体被动式太阳房室内温度的参数进行多因素多水平优化模拟,总结出相变轻质墙体被动式太阳房优化技术方案。 ⑦指导实际的工程设计 利用上述的理论分析结论,在西宁及玉树地区进行了相变轻质墙体工程试点,结果表明:相变材料克服了轻质结构墙体由于不能有效蓄热,而不宜应用于被动式太阳房设计建造的局限,极大地提高了轻质结构建筑对太阳能资源利用效率,使轻质建筑也可以应用被动式太阳房技术。 总之,论文开展了利用相变材料改善轻质墙体被动式太阳房围护结构热工性能和室内温度环境的研究。建立了有关相变墙体传热和轻质被动式太阳房室内温度计算模型。提出了相变轻质墙体冬季采暖工况使用效果的评价指标。得出了相变材料在部分地区被动式太阳房上适用规律,并开展了工程实践。论文的部分结论对相变墙体在轻质建筑中进行合理的设计和应用,发挥最佳节能功效奠定了理论基础。 【关键词】：相变材料 被动式太阳房 数学模型 轻质哨所 优化分析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK512
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 课题研究的必要性12-16
• 1.1.1 青藏高原北部地区营房太阳能利用的重要性12-13
• 1.1.2 轻质建筑在住房需求中的比重日益提高13-14
• 1.1.3 轻质建筑墙体蓄热能力弱热惰性指标低14-15
• 1.1.4 相变材料可以提高轻质建筑蓄热性能15-16
• 1.2 国内外研究现状和发展动态分析16-19
• 1.2.1 相变材料在太阳房中应用研究16-17
• 1.2.2 相变墙体传热过程研究17
• 1.2.3 相变墙体的经济性研究17-18
• 1.2.4 相关研究现状分析18-19
• 1.3 论文工作的提出与研究内容19-22
• 1.3.1 论文工作的提出19
• 1.3.2 研究内容19-22
• 2 相变墙体传热及室内空气温度的数值模拟方法22-44
• 2.1 相变传热问题分析22-28
• 2.1.1 相变传热特性22-24
• 2.1.2 相变墙体传热过程解析方程24-26
• 2.1.3 移动界面的非线性特征26
• 2.1.4 基于焓法的一维相变墙体传热模型26-28
• 2.2 相变墙体被动式太阳房室内温度的数值模拟28-37
• 2.2.1 物理模型28-29
• 2.2.2 数学模型29-37
• 2.3 参数修正37-43
• 2.3.1 换热系数修正37-42
• 2.3.2 天空背景温度修正42-43
• 2.4 本章小结43-44
• 3 相变材料制备及轻质墙体被动式太阳房实验44-82
• 3.1 相变轻质墙体材料制备44-64
• 3.1.1 复合相变颗粒材料制备46-48
• 3.1.2 二氧化硅/饱和脂肪酸复合相变材料制备48-51
• 3.1.3 复合相变材料表征及性能分析51-55
• 3.1.4 相变墙体结构设计55-61
• 3.1.5 轻质相变墙体热工参数分析61-64
• 3.2 采暖工况实验64-74
• 3.2.1 相变轻质墙体太阳房实验设置64-69
• 3.2.2 无辅助热源实验及结果分析69-71
• 3.2.3 辅助热源实验及结果分析71-74
• 3.3 被动式太阳房室内空气温度模型验证74-80
• 3.3.1 模拟条件设置75-78
• 3.3.2 房间空气温度模拟值与实验值比较78-80
• 3.4 本章小结80-82
• 4 相变轻质墙体被动式太阳房性能评价分析82-106
• 4.1 评价指标的确定82-85
• 4.2 模拟参数的设置85-87
• 4.2.1 模拟建筑86
• 4.2.2 模拟参数配置86-87
• 4.3 影响因素分析87-104
• 4.3.1 评价指标的验证88-91
• 4.3.2 相变材料厚度及温度双因素分析91-98
• 4.3.3 保温层厚度因素分析98-99
• 4.3.4 被动式太阳房玻璃盖层因素分析99-100
• 4.3.5 被动式太阳房通风口面积因素分析100-102
• 4.3.6 相变轻质墙体优化设计102-104
• 4.4 本章小结104-106
• 5 相变轻质墙体被动式太阳房应用设计理论及工程实践106-124
• 5.1 相变墙体应用的基本原则106-109
• 5.2 相变墙体应用设计方法109-112
• 5.3 相变轻质墙体被动式太阳房工程实践112-123
• 5.3.1 相变轻质墙体哨所工程应用113-119
• 5.3.2 相变轻质墙体战士宿舍工程应用119-121
• 5.3.3 综合效益分析121-123
• 5.4 本章小结123-124
• 6 结论与建议124-128
• 6.1 结论124-125
• 6.2 创新点125-126
• 6.3 建议126-128
• 致谢128-130
• 参考文献130-140
• 附录140-142

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