建筑热质与太阳能空气采暖耦合作用研究

作     者：杨文晓 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈滨

授予年度：2010年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能空气集热器 热质 温度变异系数 EnergyPluS 计算模型 

摘      要：常规采暖降温方式不仅消耗大量不可再生能源,造成环境污染,还产生了各种人体健康问题。因此,在充分利用自然能源的基础上,探究建筑自身的热调节特性,对于探索符合可持续性发展的建筑室内热环境调节技术具有重要意义。集成了壁挂式太阳能空气集热器的太阳能空气采暖建筑可以很好的收集、存储和使用太阳能,但是设计或运行不当容易引起采暖期间室内温度波动较大,夏季过热等问题。研究发现,利用建筑热质的蓄放热特性可以较好地抑制室内温度的波动,因此,针对建筑热质与太阳能空气采暖的耦合作用进行深入研究对推进太阳能建筑的普及应用具有重要的现实意义。 首先,本研究应用统计学中变异系数的概念,定义了“温度变异系数,创造性地提出了热质对室内热稳定性作用的定量评价方法。通过实验数据的分析发现,建筑的总热容量越大其室内热环境越稳定,相同室外环境下不同建筑的相对波动程度只与其总热容量有关。通过EnergyPlus软件的模拟分析,在保持建筑热损失系数不变的条件下,当实验房总热容量减小或增加一倍时,室内温度波动程度分别只减小17%或增加12%。以室温波动程度衡量建筑中热质设计是否合理,当室内温度波动程度不低于室外波动时建筑的总热容量作为合理利用的最小值,当室内温度波动不随建筑总热容量增加而增加时的建筑总热容量作为合理利用的最大值。通过大量模拟数据拟合,得到室温变异系数关于建筑热损失系数和建筑总显热容的计算公式,作为热质设计的依据。 其次,冬季实验发现蓄热楼板有增加太阳能空气采暖建筑冬季室内热稳定性的作用,但是,对于顶层或平房来讲,由于屋顶热损失较大,对这一作用有一定的削弱作用。另外,研究发现夏季蓄热楼板的夜间蓄冷对降低白天室内空气温度作用效果明显。经过合理的正交实验设计,利用EnergyPlus软件的模拟分析得出：综合考虑全年的室内环境调节需要,太阳能空气采暖建筑内外热质热容量的最佳比例为5：1,蓄热楼板(内热质)的传热系数越大越好。 最后,对太阳能空气采暖建筑建立了描述室内温度动态变化的数学模型,通过解析方法揭示了热质热容量和传热系数的相关性,并提出了“热扩散数的概念,以表征建筑热量传递速率与建筑总热容量的相对大小的影响。集热器热扩散数则表征了太阳能空气集热器的热量传递速率与建筑总热容量的比值。随着热质内外侧热扩散数和集热器热扩散数的增加,室内空气温度延迟减小;白天室内空气温度波动可以分解成三个波幅和相位不同的波,通过分析各波动的衰减系数,发现热质内侧和外侧热扩散数是影响室内温度波动幅度的主要因素,随着热质内侧热扩散数的增加波动幅度减小,随着热质外侧热扩散数的增加而增加。 研究表明在热质传热系数不变的情况下,时间常数越小,全天总热负荷越小,但是一天时间内热负荷波动越大。随着热质内侧对流换热数的增加,夜间热负荷逐渐增加,热负荷波动的幅度增加,延迟时间减小;白天热负荷的延迟时间减小,波动幅值增加;外侧对流换热数的增加,热质外侧热扩散数随着增加,夜晚和白天的延迟时间均减小,波动幅值增加。