藏西南边远地区直接受益式太阳能采暖研究

【摘要】：藏西南边远地区经济落后,交通不便,远离电网,常规能源匮乏,位于该地区的边防哨所和民居等建筑的采暖能源无法得到保障,冬季室内热环境恶劣,极端条件下甚至危及人员的生命安全,而该地区生态环境十分脆弱,大规模发展常规能源采暖也不符合环保要求。但藏西南高原地区太阳能资源极为丰富,研究如何在该地区实现低成本、易维护的被动式太阳能采暖有重要意义。 本文提出以低成本、易维护的直接受益式太阳能采暖作为该地区的主要采暖形式,建立了以最冷月平均室温和最低室温为评价指标,稳态热分析和动态模拟相结合的直接受益式太阳能采暖研究方法,分析了在该地区实现无辅助热源直接受益式太阳能采暖的可行性。主要学术贡献为: 第一,以通过墙体的总散热速率最小为目标函数,以保温材料总量一定为约束条件,优化得到了各朝向墙体热阻的最佳比例关系式:其中R_i为墙体热阻,ε_i为墙体传热系数的修正系数,表征太阳辐射和外界长波辐射对墙体散热速率的影响。研究表明该地区各朝向围护结构传热存在较大的差异,表面太阳辐射吸收率为0.7时,热阻相同的北墙平均散热速率比南墙约大60%。 第二,提出以窗户的瞬时净得热量q_g(τ) 0为判别式优化窗户保温的合理启闭时间,对含窗户活动保温的高原直接受益式太阳房进行了数值模拟研究。结果表明:(1)南窗活动保温的合理启闭时间与日出日落时间基本一致,普通中空玻璃窗附加夜间保温是适宜于该地区的南向集热窗形式;(2)在相同条件下,高原地区由于内表面对流换热系数小,降低了室内侧蓄热层的蓄放热速率,导致太阳房室内空气温度波动比平原地区大。 第三,提出以提高最低室温T_(in,min)为目标优化定形相变地板的物性参数,优化原则为根据相变地板总潜热蓄热量选择合适的相变温度以调整相变地板的蓄放热速率,使相变地板在室温最低时段刚好完全凝固。 第四,采用添加膨胀石墨的方法强化了定形相变材料的导热性能,并探索出了将膨胀石墨复合到定形相变材料中的批量制备方法和流程。