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我国大部分地区都属于冬季太阳能资源丰富、且利用价值高(或较高)的地区。而可再生能源尤其是太阳能的合理利用是低碳经济时代的重要研究内容,但是太阳辐射的不稳定性使太阳能热利用技术应用于需要连续供热的供暖系统受到了制约。本研究提出了将相变蓄热技术与太阳能热利用技术相结合,并将所研制的定形相变材料与太阳能集热系统相结合,构筑太阳能--相变蓄热闭式供热系统,利用相变蓄热技术实现太阳热能时间和空间上的转移,为空调新风供暖系统提供稳定供热源的研究思想。
根据所构筑的太阳能--相变蓄热闭式供热系统的基本原理,搭建了全尺寸实验台,该实验台具有将全玻璃真空管集热器收集到的太阳能,通过热媒体--水储存到填充了DX-53定形相变材料板的相变蓄热装置内,夜晚或太阳辐射强度较弱时,相变蓄热装置再将事先储存的太阳热能用于加热引入到室内的室外低温空气,以减少建筑房间供暖负荷的功能;并可以根据不同的天气状况和控制策略,完成八种模式下的蓄热、供热、放热实验。
以太阳能--相变蓄热闭式供热系统中的核心蓄热构件--相变蓄热装置为研究对象,对其流动和传热过程进行了分析,并对影响相变蓄热装置流动和传热特性的因素进行了研究,得到了五个主要影响因素:热媒体流速、热媒体入口温度、DX-53板布置层数、蓄热装置布置方式、蓄热装置入口几何尺寸。
基于理论分析和实验研究(2008年11月--2010年3月)的方法,对以上因素的影响规律进行了初步探讨;并重点比较了立式、卧式相变蓄热装置的蓄放热特性。结果表明,卧式相变蓄热装置在蓄、放热过程中,由于热媒体流动方向与浮升力作用方向垂直,易产生温度分层现象,影响了卧式相变蓄热装置的蓄放热特性;而立式相变蓄热装置则不受此影响。
建立了关于立式相变蓄热装置的相变传热数学模型,计算结果与实验结果吻合良好;并根据所建立的数学模型,进一步对影响立式相变蓄热装置传热性能的影响因素及其规律进行了分析,为相变蓄热装置的优化设计提供了参考。
结合上述研究结果,在北京地区对所构筑的太阳能--相变蓄热闭式供热系统,进行了工程应用性实验研究。结果表明,所提出的关于该系统的传热与流动过程的设计与运行控制方法,对该系统的工程应用具有较好的参考价值。