太阳能分时采暖建筑蓄热技术研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 9.6MB 76 页 15积分
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上海理工大学硕士论文—太阳能分时采暖蓄热技术研究
I
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .........................................................1
§1.1 我国能源形势严峻...........................................................................................1
§1.2 我国的太阳能资源分布...................................................................................2
§1.3 太阳能的热利用...............................................................................................2
§1.4 国内外蓄热技术和太阳能供暖技术的研究现状...........................................4
§1.4.1 蓄热技术的研究现状.............................................................................5
§1.4.2 太阳能供暖技术的研究现状.................................................................5
§1.5 分时供暖技术...................................................................................................6
§1.6 课题研究内容和实施方案...............................................................................7
§1.6.1 课题的提出.............................................................................................7
§1.6.2 课题研究内容和实施方案.....................................................................8
第二章 蓄热水箱温度分层研究 .........................................9
§2.1 温度分层式蓄热水箱.......................................................................................9
§2.1.1 温度分层式入水分配器介绍...............................................................10
§2.2 多节点模型（multinode）.............................................................................11
§2.2.1 多节点物理模型....................................................................................13
§2.2.2 多节点数学模型...................................................................................13
§2.3 温度分层式蓄热水箱应用分析.....................................................................14
§2.3.1 供暖房间的描述...................................................................................15
§2.3.2 太阳能供暖热负荷的确定...................................................................16
§2.3.3 太阳能集热系统...................................................................................16
§2.3.4 太阳能集热器的集热效率和太阳能保证率.......................................16
§2.3.5 蓄热系统...............................................................................................17
§2.3.6 泵和辅助加热器...................................................................................17
§2.3.7 气象数据...............................................................................................18
§2.4 计算结果分析.................................................................................................18
§2.5 温度分层式蓄热水箱的实验分析.................................................................21
§2.5.1 实验介绍...............................................................................................21
§2.5.2 实验装置...............................................................................................21
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II
§2.5.3 实验实施...............................................................................................25
§2.5.4 数学模型的验证..................................................................................27
第三章 建筑围护结构蓄热研究 ........................................29
§3.1 蓄热体的介绍..................................................................................................29
§3.2 研究对象..........................................................................................................30
§3.3 测试的基本装置及测试内容..........................................................................31
§3.4 实验数据分析.................................................................................................32
§3.4.1 假设条件................................................................................................33
§3.4.2 能量平衡方程式的建立和求解...........................................................33
§3.4.3 测试数据分析.......................................................................................33
§3.4.4 计算结果分析.......................................................................................35
§3.5 建筑围护结构蓄热模拟分析.........................................................................36
§3.5.1 结果比较...............................................................................................36
§3.5.2 模拟分析...............................................................................................37
第四章 太阳能采暖建筑分时供暖研究 ..................................44
§4.1 总体介绍.........................................................................................................44
§4.2 研究对象.........................................................................................................44
§4.2.1 太阳能供暖系统....................................................................................44
§4.2.2 太阳能供暖系统的主要部分................................................................44
§4.2.3 房间描述...............................................................................................45
§4.2.4 系统的运行...........................................................................................45
§4.3 房间模型.........................................................................................................45
§4.4 分时供暖的运行策略研究..............................................................................46
§4.4.1 标准类型...............................................................................................46
§4.4.2 分时供暖的运行策略...........................................................................48
§4.5 墙体蓄热对分时供暖运行方式的影响.........................................................56
§4.5.1 不同墙体类型和房间类型对分时供暖方式的影响...........................57
§4.5.2 不同房间分时供暖的能耗分析...........................................................63
§4.5.3 分时供暖的周末调节............................................................................64
§4.6 水箱蓄热对分时供暖的影响..........................................................................65
第五章 结论与展望 ................................................... 69
§5.1 结论..................................................................................................................69
§5.2 对本课题的展望和建议.................................................................................70
上海理工大学硕士论文—太阳能分时采暖蓄热技术研究
摘 要
能源是人类社会存在和发展的物质基础。但常规能源的大量使用，已造成地
球生态环境的严重破坏，常规能源的日益枯竭，影响了人类社会的可持续发展。
太阳能以其清洁、环保的特性使其成为国际新能源和可再生能源的重要内容，有
巨大的社会效益和经济效益。
目前国内外太阳能采暖系统的研究主要针对全天使用的居住建筑，本文则主
要针对大量一般只在白天使用的公用建筑的太阳能采暖系统的特性和设计方法进
行研究。本课题提出了将蓄热水箱和建筑围护结构综合考虑其蓄热性能的思路。
并通过建立数学模型计算、实验验证以及计算机软件模拟的方式对分层水箱蓄热、
墙体蓄热的影响因素进行了初步研究，最后重点对太阳能分时供暖系统的特性和
设计方法进行了研究。通过研究，本文得到如下结论：
(1) 太阳能采暖系统采用高效温度分层水箱，与不分层的水箱相比，整个系统
的太阳能保证率能够提高 5～10 个百分点。
(2) 墙体蓄热在全年呈比较稳定状态，蓄热量与建筑所在地点的气候有很大关
系，其中与室外温度关系最为密切，其次为当地的太阳能资源；墙体越厚、材质
越重，蓄存的能量也越多；采用外保温可以有效提高墙体的蓄热能力。
(3) 太阳能分时供暖系统确实能够节约能源，不同的控制策略，节能的效果有
所不同：
1) 分时使用提高供水温度的分时供暖，能够节省大约 39%的辅助加热量，根
据不同月份气候条件制定的灵活机动的供暖调节策略，可以降低房间负荷约 35%，
为一个较适合的分时供暖策略。
2) 使用提前供暖的分时供暖，可以减少辅助加热量约 29%，减少供暖负荷约
7%，太阳能保证率提高约 6.1%。
3) 使用增加换热面积和换热流速的方法，热负荷可以减少约 22.4%，辅助加
热量减少约 41%。
4) 文中所使用的三种建筑围护结构，三种类型房间使用分时供暖都比连续供
暖要节能，对于三种类型房间墙体在夜间停止供暖的情况下没有冻结的危险，类
型一和类型二房间在周末停止供暖墙体没有冻结的危险，但是类型三房间不能应
用此种供暖方式。
本文的研究对公用建筑的太阳能采暖的设计和运行具有直接的指导意义。
关键词： 太阳能 水箱温度分层 建筑蓄热 分时供暖
上海理工大学硕士论文—太阳能分时采暖建筑蓄热技术研究
ABSTRACT
The existence and development of human society is based on energy. The large-scale
use of conventional energy has caused serious damage on the Earth's ecological
environment, and the growing depletion of conventional energy has also impact on the
sustainable development of human society.
Solar energy ,which is cheap, clean, and environmentally friendly, has been an
important part of new international and renewable sources and has enormous social and
economic benefits.
The purpose of this study is to design a time-scheduled solar heating system. The
system is mainly composed two parts: collective devices and regenerative devices. This
paper is mainly focused on the research of regenerative device and heating
time-scheduled strategy analysis.
As an indispensable regenerative device in solar water heating systems, energy
accumulation and conservation of storage are also the focus study currently.
This paper includes a simulation of high-efficient temperature stratification regenerative
storage using multinode model, and compare between experiment and simulation. Then
gain the heat of stratification regenerative storage and its performance to the whole
system.
As to the solar system, energy accumulation is the key to system optimization. On the
basis of studying storage energy accumulation, it is very significant to tap potential
energy accumulation of buildings and propose a targeted strategy for system running
making full use of energy accumulation effectiveness. In this paper, we establish a
simple mathematical model, while combinate an indoor environment testing to illustrate
the accumulation energy effect of the wall. In the end, simulate factors to surrounding
accumulation energy of buildings.
On the basis research of accumulation energy of storage and surrounding structures, it
focus on adjusting and running form of time-scheduled system. Apply different
time-scheduled system to different structure envelopes. Mainly by improving the water
supply temperature, ahead of heating, heating transferring area , heating flow ,
increasing heating collector area, and other means to regulate and find more reasonable
heating methods.
Key Word: Solar Heating , Stratificaion in the Storage, Energy
Accumulation of Buildings, Time-scheduled Heating
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
能源是人类社会存在和发展的物质基础，以煤炭、石油、天然气为主的化石
能源极大地推动了人类社会的发展。但化石能源的大量使用，已造成地球生态环
境的严重破坏，化石能源的日益枯竭，影响了人类社会的可持续发展。
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的能源，其洁净、环保的特性使其成为国
际新能源和可再生能源的重要内容，并有着广阔的市场前景和无与伦比的优势。
近年来能源及与之相关的环境保护成为全世界各国最为关注的热点，各国都
在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，人均能源资源短
缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，极大地制约了我国的可持
续发展。近年来，我国 GDP 每年以近 10%的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、
生态日益恶化。缓解能源瓶颈制约，根本出路是坚持开发与节约并举、节能优先
的方针，大力推进节能降耗，提高能源利用效率。
§1.1 我国能源形势严峻
我国是能源大国，总地质贮量居世界第三。但从人均占有量看，又是能源贫
国，只有世界人均占有量的 1/2，是美国的 1/10，是原苏联的 1/7。我国是煤炭大
国，却是石油贫国，总贮量仅占世界的 2%～4%。当前，我国是世界上唯一以煤炭
为基本能源的大国，在一次性能源消费中，煤炭占 75%以上 。各种预测认为，这
种能源结构至少将维持 60 年，主要原因是我国油气贮量有限，而水电核电价格相
对昂贵。
随着中国经济迅速发展，人民生活水平不断提高，社会的发展对能源的依赖
越来越严重。2001 年我国能源费用支出达 1.25 万亿元人民币，占 GDP 的13%。
按照目前的能源消耗方式预测，在 2020 年我国需要一次能源达 32 亿吨标准煤以
上，能源消费比 2000 年增长 2.5 倍多。1980 年以来，我国的能源总消耗量每年增
长约 5%，是世界平均增长率的近 3倍，加之能源利用技术落后，效率低下，在经
济高速发展的情况下，中国的能源消耗速度比其他国家更迅速，能源枯竭的威胁
可能来的更早、更严重。
随着我国能源消耗尤其是建筑能耗日益增长，1999 年我国建筑能耗占社会总
能耗的比例已达到 20%~25%，随着我国人民生活质量的不断提高，人们对建筑室
内环境舒适程度要求的不断提高，城镇化进程的加快以及住房体制改革的深化，
我国的建筑能耗必将进一步增加，面对飞速高涨的建筑能耗，我国的建筑节能将
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2
是一个非常严峻的任务。
§1.2 我国的太阳能资源分布
太阳能资源的分布具有明显的地域性。中国是太阳能资源相当丰富的国家，
具有开发利用太阳能得天独厚的优越条件。根据太阳能年曝辐射量的大小，可将
中国划分为 4个太阳能源带。如表 1-1 所示[1]。
表1-1 我国的太阳能资源区划指标
资源区划代号
名称
太阳辐射量/[MJ/（m2a）]
Ⅰ
资源丰富区
≧6700
Ⅱ
资源较富区
5400～6700
Ⅲ
资源一般区
4200～5400
Ⅳ
资源贫乏区
＜4200
图1-1 我国太阳能资源分布图
图1-1 我国太阳能资源分布图
§1.3 太阳能的热利用
（1）太阳能热水
生活热水能耗是建筑能耗中不可忽略的份额。太阳能热水技术是目前太阳能
热利用中最为成熟的技术，用太阳能解决住宅的部分甚至全部生活热水是太阳能
在建筑应用的首选。中国五金制品协会的统计资料显示，目前中国城市家庭中，
摘要：

上海理工大学硕士论文—太阳能分时采暖蓄热技术研究I目录摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1我国能源形势严峻...........................................................................................1§1.2我国的太阳能资源分布.....................................................................................

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