一种新型的太阳能集热墙系统的模拟研究

【摘要】：目前，我国有近30%的能源消耗在建筑物上，长此以往，必将严重影响我国经济的可持续发展。因此，我国必须从可持续发展的战略出发，尽可能的降低建筑物对不可再生能源的消耗。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，具有许多常规能源无法比拟的优势。 本文设计了一种新型的太阳能集热墙系统，其主要包括可调式太阳能电池板遮阳装置和孔板式太阳能集热墙两部分，太阳能电池板与集热墙进风口处的直流风机相连，为直流风机的运转提供动力。制作了可调式太阳能电池板遮阳装置的模型，根据水平遮阳理论得出太阳能电池板尺寸的计算公式，并在假设太阳能电池板的光电转化效率恒定不变的前提下得出在数值模拟阶段直流风机风量的计算公式。根据大连理工的刘雷的硕士论文设计了一款孔板式太阳能集热墙，并对此种形式的孔板式太阳能集热墙及其采暖房间的传热过程进行了理论分析。 基于孔板式太阳能集热墙及其采暖房间传热过程的理论分析，本文采用FLUENT模拟软件在稳态和非稳态条件下对集热墙及其采暖房间进行了数值模拟，并得出其在不同条件下温度场和速度场的分布情况及其随时间的变化规律。本文的模拟结果显示：在本文的模拟气候条件下，自然条件（无风机作用）下的孔板式太阳能集热墙能将空气提升33.7K，并能够使采暖房间的平均温度达到287.65K。在冬季模拟时间段，有直流风机作用下的孔板式太阳能集热墙出口处的平均温度在13点达到最高值——298.7K，此集热墙的集热效率为86%，能够使采暖房间比对比房的平均温度高2K左右。在夏季模拟时间段，有直流风机作用下的孔板式太阳能集热墙对房间通风效果较好，通风换气量的最大可达342m3/h。 基于数值模拟结果，本文对孔板式太阳能集热墙的节能性进行了分析。分析结果显示，在模拟时间段孔板式太阳能集热墙为室内提供的总热量为15073.2KJ，对降低建筑物对不可再生资源的消耗的意义显著。 【关键词】：太阳能 建筑节能 孔板式太阳能集热墙 太阳能电池板 建筑遮阳 FLUENT模拟软件 数值模拟
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU832.17
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 研究背景8-10
• 1.2 国内外被动式太阳能建筑模拟研究现状10-12
• 1.2.1 国外被动式太阳能建筑模拟研究现状11-12
• 1.2.2 国内被动式太阳能建筑模拟研究现状12
• 1.3 太阳能光伏发电技术12-14
• 1.3.1 太阳能光伏发电的历史和现状12-13
• 1.3.2 太阳能光伏发电的优点及存在的问题13-14
• 1.4 本文的主要工作14-16
• 第2章 新型太阳能集热墙系统的原理及设计16-26
• 2.1 设计思想来源16-17
• 2.2 新型太阳能集热墙系统的原理17
• 2.3 新型太阳能集热墙系统的设计17-23
• 2.3.1 可调式太阳能电池板遮阳装置模型的试制17-18
• 2.3.2 太阳能电池板的尺寸的计算18-21
• 2.3.3 直流风机风量的确定21
• 2.3.4 孔板式太阳能集热墙的结构设计21-23
• 2.4 新型太阳能集热墙系统的特点23-25
• 2.4.1 可调式太阳能电池板遮阳装置的特点23-24
• 2.4.2 孔板式太阳能集热墙的特点24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 孔板式太阳能集热墙及其采暖房间模型的建立与理论分析26-39
• 3.1 物理模型26
• 3.2 基本假设及热网络模型26-27
• 3.3 传热过程热平衡方程27-38
• 3.3.1 孔板式太阳能集热墙热平衡方程28-34
• 3.3.2 孔板式太阳能集热墙采暖房间的传热过程34-36
• 3.3.3 孔板式太阳能集热墙采暖房间的围护结构与外界环境之间的换热36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 孔板式太阳能集热墙热性能的模拟与分析39-66
• 4.1 物理模型39
• 4.2 孔板式太阳能集热墙在冬季某时刻的热性能模拟与分析39-50
• 4.2.1 模型简化及模拟工况的设置39-42
• 4.2.2 自然条件下模拟结果与分析42-48
• 4.2.3 不同入口风速下模拟结果与分析48-50
• 4.3 孔板式太阳能集热墙冬季热性能日变化模拟与分析50-62
• 4.3.1 模型的简化及模拟工况的设置50-51
• 4.3.2 自然条件下孔板式太阳能集热墙冬季热性能日变化模拟结果与分析51-57
• 4.3.3 不同入口风速下孔板式太阳能集热墙冬季热性能日变化模拟结果与分析57-62
• 4.4 夏季气候条件下孔板式太阳能集热墙的通风性能研究62-64
• 4.4.1 模型简化及模拟工况的设置62-63
• 4.4.2 模拟结果与分析63-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第5章 孔板式太阳能集热墙采暖房间的数值模拟与节能性分析66-76
• 5.1 物理模型66
• 5.2 孔板式太阳能集热墙采暖房间在冬季某时刻的温度场及速度场的模拟与分析66-70
• 5.2.1 模型简化与模拟工况的设置66-67
• 5.2.2 模拟结果与分析67-70
• 5.3 孔板式太阳能集热墙采暖房间温度日变化的模拟与分析70-74
• 5.3.1 模型简化与模拟工况的设置70-71
• 5.3.2 模拟结果及分析71-74
• 5.4 孔板式太阳能集热墙采暖房间的节能性分析74-75
• 5.5 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-81
• 致谢81

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