太阳能热风内墙供暖系统建筑热过程及优化研究

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新型太阳能热风内墙(SAC-HVIW)供暖系统能够有效提高居住建筑夜间热舒适性,但在使用中必然会受到间歇辅助热源、太阳入射等外部热量的影响。太阳能和室外环境的不稳定性,集热器出口空气温度的波动,间歇辅助热源启停及功率大小的无规律性,太阳入射光斑在室内的变化,导致热风内墙蓄传热过程以及室内热环境的可控性差、不确定性大。掌握上述热扰动耦合作用下热风内墙蓄传热机理,得到SAC-HVIW供暖系统集、蓄、放热量计算的准确方法,通过改变SAC-HVIW供暖系统及间歇辅助热源运行参数、热风内墙结构和热物性以及建筑构造形式调节热风内墙传热和蓄热性能以提高夜间室内温度,从而实现调节室内热环境的目的,是该类建筑热过程研究的关键所在。本文以充分发挥SAC-HVIW供暖系统的调节作用,减少间歇辅助热源运行时间和运行负荷,保证室内最低温度以及实现节能最大化为控制目标。针对外部热量耦合作用下SAC-HVIW供暖系统调节中所涉及的关键科学技术问题,采用理论分析、实验研究和建筑热过程模拟相结合的方法,研究热风内墙蓄放热特性及建筑动态热响应,揭示热风内墙蓄放热过程对室内热稳定性的影响,掌握建筑动态热环境优化调控方法,为高寒地区居住建筑太阳能热利用提供理论基础和技术支撑。详细研究如下:首先,从外部热量耦合作用下采用SAC-HVIW供暖系统建筑的结构特点和作用原理出发,在合理假设和简化的基础上,利用数学分析方法对采用该系统建筑在HVIW蓄放热、太阳入射及间歇辅助热源共同作用下的建筑热过程进行了理论分析,建立不同运行模式、运行时段的建筑室内热环境数学模型,得到SAC-HVIW供暖系统集、蓄、放热量的计算方法,获得采用该系统建筑室内空气温度的变化规律,提出SAC、HVIW及室内热环境评价指标。其次,设计了外部热量耦合作用下采用SAC-HVIW供暖系统建筑实验台,通过调节送风量、内部循环空气加热量以及外部电热膜热量等控制方式,分别进行了23组稳态及13组非稳态对比实验,掌握了系统运行和热扰参数对系统稳态换热及非稳态蓄放热性能的影响关系。稳态结果表明:送风温度和外部热量对HVIW空腔内表面的换热系数不会产生影响,可按与送风风速线性相关考虑;对于固有建筑形式,HVIW外表面辐射换热系数可按照常数考虑;HVIW外表面自然对流换热系数,随HVIW系统的得热量的增多而近乎对数关系增加。非稳态实验结果表明:总得热量越大,HVIW外壁面热流值也越大,外部热量阶跃作用的全天最大、最小热流值均高于与之对应的稳定输入工况;同样风速与热风加热量时,外部热量耦合作用时的非通风放热效率均大于60%,相对于无外部热量耦合作用时可提高5-10%;外部热量稳定输入时的蓄热效率低于50%的出现时间相对于无外部热量耦合作用时可延后0.5h以上;送风风速越大,热风初始启动阶段的瞬时蓄热效率越高,但不利于热量在非通风时段的释放。再次,构建外部热量耦合作用下的采用SAC-HVIW供暖系统建筑动态传热整体模型。采用RC热网络法,构建了考虑太阳入射及室内辅助热源的建筑外围护结构及室内空气的子模型,并采用Energyplus软件进行了验证;针对HVIW存在外部热量耦合作用的情况,将RC与NTU整体耦合模型改进为串联简化换热单元模型,依托实验数据证明了模型的准确性(除外部热量耦合作用时的热风系统启停20分钟之内由于气流波动剧烈误差较大外,其余误差均在10%以内);基于热平衡法建立了集热器的子计算模型。耦合上述三个子模型,得到整体模型,采用计算机编程求解该模型。然后,在动态传热整体模型基础上,研究与控制目标匹配的SAC-HVIW供暖系统集、蓄、放热特性及建筑热过程的影响因素,进而获得系统和建筑构造的优化方法。以使夜间最低室内温度最大化为主要优化目标,获得了循环风量、气象参数、建筑构造、辅助热源、新风量等设计、运行参数的选用依据。结果表明:考虑循环风机能耗时,最佳空腔循环风速为2~3m/s左右;室内最低温度与太阳辐射强度线性相关;HVIW壁厚以120mm左右为宜;对于节能建筑,应选择中质材料构成HVIW较为合理;窗墙比越大室内最高温度越高,但是最低温度也越低;室内最低温度与体积进深积之间存在幂函数关系,其拟合公式为Tmin(28)188.69(BHD~2)-0.421;甘孜州当连续出现3个及以上晴天时,即使出现一个阴天亦可满足被动式太阳房的室内最低温度要求;对流型辅助热源会抑制HVIW向室内的对流换热,辐射型辅助热源会抑制辐射换热,小功率热风型热源低温时段长时间运行效果较理想。最后,以当雄县某附加阳光间式被动太阳房为例,对该建筑热扰动作用下应用SAC-HVIW系统的供暖效果进行分析,研究其运行控制策略、辅助热源适应性选择以及供暖季运行效果。得到了采用SAC-HVIW系统建筑的风机(分布光伏供电时应根据集热板温度变频控制)及对流型辅助热源(2℃控制精度)动态控制要求,掌握了SAC-HVIW与辅助热源联合供暖系统的控制策略并进行了全供暖季运行效果分析。计算结果表明,联合供暖系统供暖季总能耗为293.5k W·h,仅为全辅助热源运行时的25%,联合供暖系统整个供暖季的费用为158.5元(仅辅助热源系统为621.9元),月均只需31.7元电费。本文通过深入研究外部热量耦合作用下采用SAC-HVIW系统供暖建筑的热风内墙热响应及室内动态热环境的变化机理及规律,为青藏高原地区使用该系统的居住建筑达到节能减排、提高夜间舒适性的目标提供了优化和调控依据。
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