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北京地区地属寒冷地区,冬季供暖期长,供暖能耗占冬季建筑能耗的主要部分。但北京地区有着丰富的太阳能资源,属太阳能资源较富带。如果能充分利用太阳能作为冬季建筑供暖补充能源,则即可以减少化石能源的消耗,又可提高太阳能在建筑供暖能源中的利用率。然而太阳能固有的不稳定性和间歇性,给太阳能的热利用带来了较大的难度。
本研究基于课题组多年关于相变蓄热技术的研究成果,充分利用相变蓄热材料相变潜热量大、可以在温度近似恒定的条件下蓄集大量热量的特点,提出将太阳能集热技术与相变蓄热技术结合,构筑太阳能-相变蓄热-新风供暖系统。利用太阳能为冬季新风供暖系统提供补充能源的学术思想,在太阳辐射强度大的情况下,可将多余的太阳热能蓄存在相变蓄热装置内,待夜晚或太阳辐射强度不足时,将预先蓄存在相变蓄热装置的太阳热能向新风供暖系统补充热能,实现了太阳能时间及地点的转移,提高了太阳能在建筑供能中的利用率。基于上述学术思想,本研究依据传热学、流体力学、相变贮能等理论,重点在以下几方面开展了研究工作:
(1)建立了应用于闭式循环系统的全玻璃真空管集热器的传热数学模型。基于全玻璃真空管集热器在闭式循环系统中的应用条件,将其传热过程简化为在联集管内的强制流动与在一系列真空管内自然对流过程的耦合。并通过分析集热器的整体的能量转化过程与单根真空管的自然对流过程,推导出了集热器的数学模型。根据此模型,可以分析在室外太阳辐射强度、供水温度、集热器几何尺寸等参数变化条件下,集热器组件出水温度的变化规律。
(2)在课题组前期的研究基础上,对已有的相变蓄热装置传热模型进行了完善。并构建了太阳能集热系统与相变蓄热系统的耦合传热模型。利用该模型,可以为太阳能时间和地点的转移,提供定量分析和指导。
(3)基于上述研究结果,建立了太阳能-相变蓄热-新风供暖系统的仿真模型。依据该仿真模型,根据北京地区冬季太阳辐射变化规律,对集热系统流量、以及相变材料质量与集热器面积比等参数进行优化设计,并制定了在确保房间供给新风温度相对稳定条件下的系统运行控制策略及其控制条件。