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相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究

果海凤  
【摘要】: 为满足不同地区,不同季节,不同气候条件下农作物和花卉的生长需要,温室大棚应运而生。温室大棚又称太阳能温室,设计之初就是期望利用太阳的能量,提高塑料大棚内或玻璃房内的空气温度,以满足植物生长的温度要求。温室大棚反季节性、反地域性的功能特点使其为花卉、蔬菜等植物的生长提供了一个适宜的小气候环境。但是,由于温室效应及太阳辐射强度较高等原因,白天,温室大棚内的空气温度一股较高,多需通风换气,无形中浪费了一定能量;而到夜间,由于传统温室大棚结构简单,蓄热和保温性能差,随着室外空气温度的降低,冬季夜间又多需供暖。因此,在温室大棚内添加蓄热性较强的相变材料白天蓄存温室内多余的太阳能,并为夜间供暖所用,其意义重大。 我国北方地区,冬季日照率高且辐射量大,太阳能资源利用潜力巨大。本课题正是基于上述温室大棚本身结构的构筑特点和相变材料的被动蓄放热特性,提出将所研制的复合相变蓄能墙体材料应用于普通温室大棚墙体内表面,构成集热蓄热墙式被动式太阳能温室,简称相变温室大棚。此种相变温室大棚正是利用相变材料恒温或近似恒温条件下能够吸收和释放大量相变潜热的被动蓄放热特性,白天蓄存温室大棚内多余的太阳能,夜间当棚内空气温度低于其相变温度时,释放出其白天蓄存的能量,完全或部分替代夜间采暖,降低温室内空气温度的昼夜波动性,达到太阳能利用的“时间转移”和“削峰填谷”的目的。 在上述节能理念的基础上,首先,搭建了相变温室与普通温室的缩尺寸实验台,并进行了反复和长期的实验。通过对加热与不加热方案下实验结果的具体分析可知,当平均室外空气温度较高(10℃左右),白天太阳辐射强度强烈时,即使不加热相变温室也能表现出很好的节能特性;而在加热方案条件下,当保证夜间温室大棚内空气温度高于相变材料的相变温度2~3℃左右(实验方案Ⅰ)时,相变温室大棚较普通温室大棚即能达到很好的节能效果,其耗电节能率η达6.3%。 在初步实验研究的基础上,采用传热学的方法,建立了温室内空气的数学传热控制方程,提出采用显热容法求解相变传热问题,并引入等价比热的概念,把三个方程描述的相变问题转化成了在整个计算区域中的一个“单相”非线性导热问题,并以此求解相变温室大棚的传热问题。利用Matlab7.0编程软件自编了相变温室程序,并进行了模拟计算,讨论了相变材料的热工参数(相变温度、相变焓、比热、密度、导热系数等)对相变温室大棚传热规律和节能特性的影响,并与普通温室大棚的计算结果进行比较,初步评价了相变墙体的节能特性。结果表明,复合相变蓄能墙体材料应用于北京地区,当其最佳密度为1200kg/m~3,最佳导热系数为0.6W/(mK),最佳相变焓为120kJ/kg,最佳相变材料层的厚度为30mm,最佳相变温度为20℃时,其供暖节能率η约为2.4%。 最后,针对北京、拉萨等气象条件不同的五个地区,进行了相变温室与普通温室的模拟计算,讨论了复合相变蓄能墙体对不同地区温室大棚耗煤量和北墙内表面温度的影响规律,初步评价了相变温室大棚在不同地区应用的可行性及节能特性。 本论文通过被动式太阳能温室大棚本身结构的构筑特点及相变材料的被动蓄放热特性的有利结合,必将推动太阳能利用的新的发展空间,为“社会主义新农村”建设和农村经济发展及节约能源开辟了一条可行的途径,并为相变蓄能墙体应用于温室大棚中或普通住宅建筑中有效利用太阳能等可再生能源提供了一定的参考。


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