太陽能空氣集熱及雙效集熱模塊的實驗和理論研究.pdf

1、隨著能源、環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，可再生能源的利用、研究和發(fā)展迫在眉睫。太陽能依靠其廣泛、清潔以及利用簡便的特點備受矚目，太陽能與建筑一體化技術(shù)合理地將建筑的用能需求、結(jié)構(gòu)特點與太陽能利用相結(jié)合，克服了太陽能能流密度低、分散性強(qiáng)的不利條件，是太陽能利用的重要途徑。太陽能與建筑一體化技術(shù)中，建筑采暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)是應(yīng)用較為普遍的方式。
　　 主動式太陽能空氣集熱系統(tǒng)可以應(yīng)用于北向建筑房間的采暖，空間大、縱深長的工業(yè)建筑采暖、通風(fēng)，

2、以及拓展應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的干燥等，應(yīng)用前景廣闊。由于空氣的密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較小，空氣集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率偏低。本文提出一種鍍有選擇性吸收涂層、帶平行翅片結(jié)構(gòu)的雙流道式空氣集熱器，利用選擇性吸收涂層減少吸熱板的輻射熱損，翅片和雙流道換熱結(jié)構(gòu)可以增大空氣與吸熱板的換熱面積。搭建了空氣集熱器的實驗測試平臺，并對單塊集熱器以及兩塊集熱器串聯(lián)工況的空氣集熱性能分別進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，這種新型結(jié)構(gòu)集熱器熱效率高于傳統(tǒng)的空氣集熱器;串聯(lián)

3、之后效率有所降低，但獲得了更高的出口溫度，在環(huán)境溫度為0℃左右的寒冷冬季，可獲得超過70℃的熱空氣，對建筑采暖以及工農(nóng)業(yè)的應(yīng)用具有非常重要的意義。
　　 本文建立了雙流道式空氣集熱器的理論模型，對空氣集熱器熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，并與實驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有較高的吻合度。利用驗證后的理論模型研究了吸熱板表面吸收涂層的特性、背板保溫層厚度、上下流道高度比例以及翅片結(jié)構(gòu)對空氣集熱器性能的影響。

4、建立了上流道式、下流道式空氣集熱器的理論模型，并結(jié)合已建立的雙流道式空氣集熱器理論模型，對三種不同流道結(jié)構(gòu)的空氣集熱器進(jìn)行了熱效率分析和(火用)分析，基于熱力學(xué)第一定律和第二定律對三種流道結(jié)構(gòu)條件下空氣集熱器的空氣流道高度進(jìn)行了研究和優(yōu)化。
　　 在大型建筑采暖或工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，由于空氣集熱系統(tǒng)通常為大面積聯(lián)用，單一的空氣集熱功能導(dǎo)致系統(tǒng)全年利用率不高?；诖藛栴}，結(jié)合空氣集熱和水集熱的換熱特點，本文研制出一種基于主動式空氣集熱的

5、雙效集熱模塊，該模塊可以實現(xiàn)集熱空氣和集熱水功能。模塊組成的集熱系統(tǒng)可在冬季為工業(yè)廠房、北向建筑等提供熱空氣采暖，其他季節(jié)提供工業(yè)過程所需要的熱水，大大提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和太陽能利用率。本文分別搭建了模塊主動式空氣集熱和自然循環(huán)式水集熱的實驗測試系統(tǒng)和理論模型并進(jìn)行了實驗和理論研究。實驗結(jié)果顯示，模塊在兩種集熱模式下均具有較高熱效率。利用經(jīng)過實驗驗證的理論模型在考慮模塊兩種集熱模式的情況下對雙效集熱模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并對空

6、氣-水復(fù)合集熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示模塊在復(fù)合集熱模式下全天平均集熱效率比單獨集熱空氣或單獨集熱水更高。
　　 與我國北方住宅建筑結(jié)合的太陽能熱水系統(tǒng)在冬季存在防凍問題，而用于建筑采暖的太陽能被動采暖技術(shù)，如Trombe墻、改進(jìn)后的利用金屬薄板作為吸熱板的Barra-Costantini墻等在非采暖季存在閑置現(xiàn)象，炎熱的夏季甚至?xí)斐山ㄖ^熱。本文針對此問題，提出一種基于被動采暖功能的被動式雙效集熱模塊。采暖季利用被動采暖功能

7、為建筑供熱，非采暖季運行集熱水功能提供生活熱水，提高了系統(tǒng)的全年利用率及經(jīng)濟(jì)性。由于太陽能被動采暖建筑室內(nèi)溫度晝夜波動較大，本文創(chuàng)新性地提出將被動式雙效集熱模塊與炕建筑結(jié)合，建立了模塊與炕建筑結(jié)合的實驗測試平臺和理論模型，并對模塊的被動采暖模式進(jìn)行了實驗和理論研究。實驗研究結(jié)果顯示，安裝集熱模塊的炕房間在被動采暖作用下，白天室內(nèi)平均溫度最高可超過14℃，炕的蓄熱特性較好的起到了減小室內(nèi)溫度波動的作用，在僅運行被動采暖條件下室內(nèi)夜間最低溫

8、度高于6℃;在控制房間溫度不低于18℃的工況下，測試房在模塊被動采暖作用下與對比房相比24小時可以節(jié)省耗電量3.5kWh。利用經(jīng)實驗驗證的理論模型對集熱模塊的被動采暖性能進(jìn)行了理論研究，并對模塊流道高度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示模塊流道高度應(yīng)不小于4cm。
　　 最后，結(jié)合被動式雙效集熱模塊的特點，建立了帶窗的實際建筑與模塊相結(jié)合系統(tǒng)的理論模型，對模塊在不同季節(jié)運行不同集熱模式的性能以及對建筑的影響進(jìn)行了理論研究。結(jié)果顯示，在太陽輻照