太阳能空气集热模块结合热质的热过程分析

【摘要】： 随着采暖空调能耗在全社会总能耗中所占的比例逐渐增大,可再生能源的开发与利用也越来越受到重视。采用太阳能空气集热器的被动式太阳能建筑是一种直接利用太阳能进行采暖的建筑形式,集热器的热效率以及建筑结构的蓄放热特性,对建筑室内热舒适性有直接的影响。因此,了解这种特殊建筑的由重质材料(混凝土等)所组成的室内热质(Thermal mass)的蓄放热特性,对于抑制室温波动起着重要的作用。 本课题源于国家自然科学基金项目——关于含太阳能集热墙体部件住宅建筑最佳热输运过程的研究,利用新建成的太阳空气集热建筑模块(简称:模块)实验平台(包括两间实验房和一间对比房),以采用模块与室内热质耦合式建筑为研究对象,通过理论和实验研究,着重探讨了全年在模块的作用下热质的蓄放热特性对室内热环境的影响,得到的创新性研究成果如下: 首先,分析了新建建筑围护结构潜热交换对热质蓄放热量的影响。因新建建筑围护结构的含水量较大,干燥过程中的潜热交换对热质的蓄放热特性的影响较为明显,通过比较刚建成和干燥八个月后的实验房混凝土楼板蓄热工况的实验数据,得到在相同的楼板蓄热量30W/m~2时,夜间楼板放热量分别为2W/m~2和8W/m~2,楼板的蓄放热特性会随着围护结构的干燥而得到改善。 其次,对耦合式建筑的冬季室温均一化效果和夏季结合遮阳、通风的降温效果进行了实验研究。在室内热质的作用下,冬季采用楼板蓄热工况时,实验房夜间室内温度的波动仅为2℃,南墙因采用了混凝土墙体结构,壁面温度的波动也明显低于其他朝向墙体。夏季实验房夜间通过采用通风与混凝土楼板蓄冷相结合的方法,使室内温度保持在舒适性设计温度26℃以下;同时清晨室内温度比未通风时降低了1.3℃。 最后,提出了一个可以预测耦合式建筑热质蓄放热特性的简化数学模型,通过模拟计算可知,当太阳辐射照度达到600 W/m~2时,即可满足大连地区1月份实验房白天的热负荷(室内设定温度为18℃),当辐射照度超过600 W/m~2时,可考虑采用蓄热工况。在供热量相同的情况下,热质的热容量及厚度对墙体蓄放热特性及室内温度均有着重要的影响,当热质的热容量增加40%时,蓄热量可增加20%;当混凝土热质的厚度由0.3m变到0.7m时,蓄热量增加了8%,但当供热量较小时,厚度对热质蓄热量的影响不大。 【关键词】：太阳能空气集热建筑模块 耦合式建筑 建筑结构蓄热 蓄放热特性 室温均一化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 建筑蓄热的研究现状10-15
• 1.2.1 热质的概念及评价参数10-12
• 1.2.2 热质蓄放热特性的影响因素12-14
• 1.2.3 耦合自然通风的建筑蓄冷技术的研究14
• 1.2.4 基于热质蓄热的被动式采暖降温技术的研究14-15
• 1.3 建筑蓄热方式15-20
• 1.3.1 墙体蓄热15-18
• 1.3.2 楼板蓄热18-20
• 1.4 本研究课题的提出20-22
• 1.4.1 目前存在的问题20-21
• 1.4.2 研究内容及方法21
• 1.4.3 研究创新点21-22
• 2 建筑结构显热蓄热研究的理论基础22-29
• 2.1 考虑建筑蓄热的围护结构传热计算方法22-25
• 2.1.1 均质平壁墙体的传递矩阵23-24
• 2.1.2 基于系统辨识的频域回归法(FDR)24-25
• 2.2 围护结构的太阳得热及负荷分析25-28
• 2.2.1 透过玻璃窗的太阳辐射得热25-26
• 2.2.2 辐射换热角系数的计算26-28
• 2.2.3 考虑蓄热作用的室内冷热负荷的计算28
• 2.3 小结28-29
• 3 显热蓄热体与集热模块耦合的被动式太阳能建筑的实验研究29-44
• 3.1 实验概述29-33
• 3.1.1 耦合式建筑的设计理念29-31
• 3.1.2 实验装置31
• 3.1.3 测点布置31-32
• 3.1.4 实验方案32-33
• 3.2 新建耦合式建筑的冬季热性能分析33-37
• 3.2.1 热质蓄热对室内舒适性影响的潜力分析33-34
• 3.2.2 耦合式建筑的室温均一化效果34-36
• 3.2.3 新建建筑潜热交换对蓄热效果的影响36-37
• 3.3 耦合式建筑的夏季降温效果分析37-43
• 3.3.1 大连地区的夏季室外降温潜力37-38
• 3.3.2 耦合式建筑的夏季过热问题38-39
• 3.3.3 白天热压通风和机械通风的调节作用39
• 3.3.4 集热器遮阳和排风对室内温度和壁面温度的影响39-40
• 3.3.5 夜间通风模式作用下室内温度的变化40-43
• 3.4 小结43-44
• 4 耦合式建筑的传热计算模型44-53
• 4.1 计算模型的假设条件44
• 4.2 传热计算模型的建立44-46
• 4.2.1 集热模块的热平衡45
• 4.2.2 楼板蓄热(冷)系统的热平衡45-46
• 4.2.3 室内空气和其他围护结构的热平衡46
• 4.3 传热系数的确定46-48
• 4.4 传热模型的求解48
• 4.5 模型的验证48-50
• 4.5.1 实验验证48-50
• 4.5.2 误差分析50
• 4.6 小结50-53
• 5 耦合式建筑的集热蓄热性能的理论分析53-59
• 5.1 计算概述53
• 5.2 太阳辐射照度对壁面温度和集热模块集热性能的影响53-55
• 5.2.1 太阳辐射照度对墙体外表面和集热模块送风温度的影响53-54
• 5.2.2 太阳辐射照度对集热模块供热量的影响54-55
• 5.3 集热模块的热量分配对楼板蓄、放热特性的影响55-56
• 5.4 楼板蓄、放热特性的影响因素56-58
• 5.4.1 楼板蓄热体的材料对蓄热性能的影响56-57
• 5.4.2 楼板蓄热体的厚度对蓄热性能的影响57-58
• 5.5 小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-63
• 附录A 模拟程序63-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

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