太阳能空气集热模块冬季热性能的仿真与优化

【摘要】： 太阳能作为一种清洁且资源丰富的新型能源日渐被关注并越来越多的被应用到各个领域。如：采暖，空调，干燥等。而在对建筑的采暖方面来看，以风机驱动工作的狭缝型多孔板集热器，并实现了与建筑的一体化的太阳能空气集热模块以其简易但高效的特点具有着非常广阔的发展空间。 本文所研究的太阳能空气集热模块主要包括集热构件，送风系统和框架三部分。其集热构件采用铝制百叶卷帘，其集热面喷涂深色无光漆用以在采暖季集热，背面涂白色可以在夏季翻转过来防止过热。本研究主要采用数值仿真的手段，利用商用CFD软件FLUENT针对太阳能集热模块的冬季集热过程进行模拟。太阳能集热模块工作时涉及的传热过程主要包括透光盖板的吸热及与周围环境的热交换，集热百叶的吸热，边框和背板的热损，集热百叶与空气间层内空气的对流热交换。本研究采用简化的模型，将前三部分换热过程以理论分析的方法求解并作为边界条件输入到集热模块的计算模型中，重点模拟分析了最复杂的集热模块的内部换热过程。针对集热模块风道面积与集热器面积相差较大，内部百叶结构复杂的特点，建立了集热模块的三维稳态模型并以多孔介质区域代替百叶结构来进行模型的简化。通过改变集热模块模型参数的方法，本文从热转移因子和热损失系数两个角度来分析了集热模块性能的优劣，从而得到优化的几何参数与运行参数。研究发现：(1)只要集热模块内空气的质量流率保持不变，集热模块的热性能就基本不变，所以在选择风口形状时可以简单根据室内送风速度要求选取。(2)加宽间层有助于提高集热模块热性能。但间层厚度过大时热性能提升的程度与集热模块成本的增加量之间并不平衡。本集热模块推荐选择80mm的间层厚度。(3)从集热模块内部流动的角度来说，无孔平板型集热构件有着更好的表现。而百叶内侧进风的模式也优于外侧进风方式。(4)随着入口风速增大，热转移系数增大，但热损失系数也随之增大。对于太阳辐射资源丰富的地区可以酌情采用较大的风速。对于大连地区的应用本文推荐1m／s的入口风速。同时本集热模块的保温措施不够完善，也使得热转移因子在集热模块性能中的影响权重远小于热损失系数。 【关键词】：太阳能集热模块 数值模拟 百叶结构 多孔介质模型 参数优化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TU833
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 研究背景9
• 1.2 研究现状及发展趋势9-20
• 1.2.1 新型太阳能空气集热模块形式的提出及分析方法的发展9-15
• 1.2.2 国内外研究状况15-20
• 1.3 研究意义20
• 1.4 研究内容和方法20-22
• 1.4.1 研究内容20-21
• 1.4.2 研究方法21-22
• 2 太阳能空气集热模块数值计算方法的理论基础22-31
• 2.1 控制方程及定解条件23-28
• 2.2 计算区域的离散28-29
• 2.3 方程求解及后处理29-31
• 3 室外影响因素的处理及输入31-41
• 3.1 入射辐射31-33
• 3.1.1 入射太阳辐射的分离31-32
• 3.1.2 照射到集热器表面的辐射量的计算32-33
• 3.2 太阳辐射在空气集热模块中的透射和吸收过程33-35
• 3.3 流动边界条件35-36
• 3.4 壁面边界条件36-40
• 3.4.1 盖板热平衡36-38
• 3.4.2 换热系数38-39
• 3.4.3 室外综合温度39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 模型建立及利用多孔介质模型的简化41-54
• 4.1 基本控制方程41-42
• 4.2 湍流模型及近壁区模型42-43
• 4.3 多孔介质模型43-52
• 4.3.1 多孔介质在传热流动模拟过程中的应用44-45
• 4.3.2 多孔介质模型参数确定45-48
• 4.3.3 多孔介质模型与百叶模型的等效性48-52
• 4.4 本章小结52-54
• 5 太阳能集热模块的稳态三维数值模拟54-73
• 5.1 计算区域离散54-56
• 5.2 使用三维多孔介质模型的实验验证56-62
• 5.2.1 实验概述56-58
• 5.2.2 测点布置58-60
• 5.2.3 实验过程60-61
• 5.2.4 实验与模拟结果对比61-62
• 5.3 集热模块参数优化分析62-71
• 5.3.1 进口风速62-66
• 5.3.2 百叶角度66-69
• 5.3.3 风口形状69-70
• 5.3.4 间层厚度优化分析70-71
• 5.4 本章小结71-73
• 结论73-74
• 参考文献74-76
• 附录A 边界条件的计算参数及计算值表76-77
• 附录A续 边界条件的计算参数及计算值表77-78
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况78-79
• 致谢79-80

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