温室-蓄热层-采暖房系统中的传热与流动研究

【摘要】：温室—蓄热层—采暖房的研究具有广泛的应用价值,在建筑节能方面具有重要的实际意义。本文针对温室系统、温室内岩石蓄热床、温室式太阳能采暖房、热对流二极管和多孔介质太阳能组合墙传热,进行了系统地分析。 在温室系统中,建立了温室土壤中的热、湿迁移过程一维模型,分析了温室土温与气温之间、温室北墙内的温度分布随时间的变化。研究表明:温室中气温、土温相互影响。土壤有热惯性,具有贮存热量的能力;异质复合墙体与单一材料墙体相比, 复合墙体热阻大,蓄热、隔热、保温性能好。温室北墙材料的导热系数( )、热容值( )对墙体温度分布的影响较大,应合理选择。温室内土壤温度和气温的实验结果与数值模拟结果相符合,从而表明所建立的传热模型和数值计算结果是正确的与可靠的。 采用低Re数 双方程湍流模型,分析温室玻璃顶部倾角和北墙内表面涂层对温室中温度及气流分布影响。在建造温室时,温室玻璃顶部倾斜角的选取,应综合考虑环境地理因素、太阳辐射透射到温室内部透射率、温室内气流和温度分布、温室空间的有效利用等因素。温室内北墙是吸收和贮存太阳能的载体,温室北墙内表面不同涂层对温室气温和气流分布影响较大。选择黑漆涂层,可增大温室对太阳辐射的吸收,增高温室气温;当需要提高温室光照强度时,温室北墙内表面涂白。 在温室岩石蓄热床系统中,岩床具有吸收并贮存太阳能作用,从而降低温室能耗。岩床孔隙率一定时,适当增大岩石床的粒径;当岩石粒径大于一定值时,适当增加岩床孔隙率可以增强岩床与温室气流,以及岩石床内部的对流换热,因而岩床的平均温度增高,提高了岩石床的蓄热效果,但孔隙率的增加导致岩石床量的降低。 被动式太阳能温室-采暖房,分析采暖房北墙采用或不采用隔热保温措施时,温室-采暖房内的温度和气流分布情况,模拟具有蓄热层的太阳能温室-采暖房中的对流传热,表明集热、蓄热、隔热是太阳能温室蓄热型采暖房的三个重要方面。研究了温室-采暖房中采用岩石床吸收和贮存太阳能的传输特性。岩床热容和导热系数影响岩床平 WP=4 均温度日变幅和热惯性。 将热二极管用于集热蓄热墙,数值分析了在这种墙体中,热对流二极管的温度和流体流动分布随时间的变化集对采暖的影响,研究表明,热对流二极管充分利用水的蓄热性和作为流体流动性的特点而设计的太阳能采暖结构体。 设计了一种多孔介质太阳能集热组合墙系统,将多孔介质板作为太阳能集热板置于组合墙内,分析了太阳辐射及环境温度变化时,组合墙内传热与流动变化。在太阳房中,应用多孔介质太阳能集热层组合墙体可以缓解采暖系统出现热量“过剩”现象,减小受室外环境的影响,多孔介质集热层可以作为热缓冲层,相当于“半透明”隔热体。采暖期“过剩”的热量由多孔介质集热层贮存,在没有太阳辐射时,用作隔热保温。多孔介质集热层的空隙率、粒径大小对系统的采暖效果影响较大,应适当选择集热层多孔介质的空隙率和岩石粒径大小,减少采暖房气温过高和过低的现象出现。 本文首次将自然紊流流动与多孔介质内的流动耦合计算,进行了开拓性的尝试,取得了较好的结果。通过对温室—蓄热床—被动式太阳能采暖房系统的传热过程分析,为设计和管理被动式太阳能采暖及其蓄热系统具有指导意义。 本文研究接受国家重点基础研究发展规划项目(No.G2000026303)资助。