太阳能热风非对称相变墙体蓄放热特性及其室内热环境的影响研究

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我国西北及青藏高原地区冬季气候严酷,采暖需求持续时间长,乡村地区现有采暖措施落后,室内热环境亟待改善。而该地区太阳能资源丰富,低层建筑居多,可获得较高的太阳能采暖保证率,具备发展太阳能采暖的先决条件。太阳能热风供暖系统结构简单、维护方便,不易出现热水供暖系统冻结损坏的问题,适宜在我国西北及青藏高原地区推广应用。根据前期学者研究表明:当地居民具有明显的昼夜差异化活动规律,即客厅与卧室为主要活动空间,使用时间分别集中在昼间与夜间。基于此,本文提出了一种太阳能热风非对称相变内墙供暖末端,通过客厅昼间直接供暖,卧室昼间蓄热、夜间放热的组合方式,满足居民对于相邻房间昼夜差异化的热环境需求,进而实现太阳能的高效利用。本文首先对非对称相变太阳能热风供暖内墙传热过程进行了理论分析,提出了供热效率及热损失率等热性能评价指标;搭建了太阳能热风墙体热性能实验平台,分析了在变风温及变风速条件下有无相变对通风墙体蓄放热性能的影响规律;建立了太阳能热风墙体传热过程数值模型,分析对比了普通墙体、对称相变及非对称相变墙体的传热特性;进而分析了非对称相变通风墙体对室内热环境的影响规律。主要的研究结论如下:(1)与无相变通风内墙相比,非对称相变通风墙体两侧的表面温度及热流密度差异明显。对于非对称相变通风墙体供暖系统,蓄热过程中卧室侧墙体的平均温度比客厅侧平均温度低4.68℃,平均热流密度降低了43.15 W/㎡;放热过程中卧室侧墙体表面温度比客厅侧墙体温度升高了2.24℃,表面热流密度提升了29.65 W/㎡,墙体表面温度保持在20℃以上的时间延长了3.1 h。(2)通过数值模拟,分析了墙体材料、相变材料厚度、相变温度、通风管管径、管间距等参数对墙体传热特性的影响规律。对于非对称相变内墙,当选用轻质混凝土材料时,通风墙体表面温度及热流密度波幅显著降低,但与重质混凝土墙体相比,轻质墙体的供暖效果较差。增加相变材料厚度可以延长系统供暖时间,降低墙体表面温度波动,当相变材料厚度为20mm时,相变材料有效利用率会降低38.19%。相变材料熔点越低,墙体临卧室表面温度波动越小,供暖时长越大,当相变温度为26℃时,相比于临客厅侧在蓄热过程中卧室侧墙体表面平均热流密度降低了62.54 W/㎡,表面平均温度减小4.45℃,在放热过程中卧室侧墙体表面温度保持在18℃以上的时间可以持续14h。(3)通过分析非对称相变采暖内墙供热效率与热损失率,结果表明相变蓄热材料对轻质墙体供热效率的改善更为明显,其供暖温度满足可接受供暖温度区间的时间更长。减小相变材料厚度可同时提高墙体供热效率和热损失率,相变材料距离墙体中心距离为50mm时,墙体的供热效率与热损失率最高;相变材料的熔点为26℃时墙体供热效率较高,相变材料的利用率为0.83。(4)与无相变通风内墙供暖系统室内热环境对比,非对称相变内墙供暖系统可以减小室内温度的波动幅度,延长系统的供暖时间。在蓄热阶段,非对称相变通风墙体供暖系统客厅温度高于卧室温度,温差最大值为10℃,而在放热阶段,卧室侧室内温度高于客厅室内温度,温差最大值为4℃,表明通过通风墙体相变蓄热层的非对称设计,可实现了昼夜差异化供暖。基于以上研究分析了太阳能热风混凝土通风墙体、对称相变通风墙体和非对称相变通风墙体供暖末端的蓄放热特性,揭示了太阳能热风非对称相变通风内墙供暖系统对室内热环境的影响规律,为太阳能热风供暖系统的推广与应用提供理论依据。
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