燃池供暖系统热源特征及热输配过程

发布时间：2018-11-11 11:54

【摘要】：千百年来,我国北方农村地区采用传统供暖方式,如火炕、火墙、燃池等形式渡过漫长寒冷的冬季,这些方式与百姓的生活息息相关,热源采用的生物质燃料均来自于农作物废弃物,形成了一种资源循环利用的生活模式。但在实际应用过程中发现,这些传统供暖方式热能利用效率低、采暖效果差、室内污染严重、热舒适性达不到要求。这些问题产生的根源与社会经济发展、生活方式的变化等密切相关。为解决上述问题,本研究通过多年深入农村地区实地调查与测试研究,同时与多位长年致力于农村能源领域的民间能工巧匠进行合作,形成了在凭借经验解决农民关注问题的基础上,进一步发现问题、对供暖技术改进提升、理论与实验结合研究、设计计算方法指导实践的研究思路。首先,通过与民间能工巧匠合作,针对传统供暖方式基于实践经验的技术提升及灶炕系统的改进措施进行了论证分析,同时对辽宁省沈阳、大连、阜新农村地区十余户分别应用不同形式火炕、土暖气、燃池供暖农宅的室内热湿环境、空气品质、农宅建造模式等进行了实测调查；分析得到应用改进后的系统对室内采暖能够有效改善室内空气品质及传热均匀性；当室外平均温度为-15℃时,利用燃池供暖能够使室内平均温度达到18℃,昼夜温差较火炕单独供暖房间降低4℃,有效改善室内热环境,并可实现一次填料持续向室内供暖的目的,广受农民青睐;但同时,燃池散热量集中,地面局部温度高达40℃,过余热量损失严重等技术问题限制了燃池的推广应用,亟待解决。其次,以既有燃池供暖农宅为主要测试对象,对传统燃池供暖系统的热源特征及传热过程进行深入探讨与分析,是对燃池进行优化设计和改进传热途径的重要基础。本文’利用耐高温热电偶多点巡回监测系统对农宅中实际运行的燃池内部阴燃过程及其向室内传热的过程进行了现场实测,得到点火位置、燃池构造形式、燃料燃烧状态等对地板辐射换热量的影响程度。通过建立燃池供暖系统的非稳态传热模型,推导出燃池供暖房间地板表面温度随热源辐射强度及地板材料物性变化的解析式。通过对解析解的讨论得到,在燃池内部热源辐射强度一定的情况下,燃池地板构造层热阻每增加0.5(m2·K)/W,燃池地板向室内的散热量将降低为原来的0.67倍。第三,为提高工匠基于经验建造的燃池热能利用效率、改进燃池的传统散热路径,基于燃池传热特性及热能利用潜力,分别提出了利用水、空气作为热传输介质的新型集成供暖系统。通过理论分析表明两种模式均可高效传递热量,并解决燃池供暖地面温度过高的问题。针对燃池—热水联合供暖系统,利用热平衡分析法对热输配过程进行了预测分析,得到水管内水温随燃料层辐射强度变化的关联式；针对架空地板型燃池辐射供暖系统,建立了描述空气传热过程的数学模型,模拟计算得到架空层内部对流与辐射耦合传热的动态变化过程,为构建供暖系统实验平台提供可选择设计参数及理论依据。第四,根据理论计算结果分别建造了燃池—热水联合供暖系统实验平台及架空地板型燃池辐射供暖示范农宅。一方面,通过实验研究得到燃池—热水联合供暖系统运行时燃池盖板得热量与热水系统得热量之间的线性相关系数为0.29。同时定量分析得到不同管径、管间距、水流速度对联合供暖系统热量分配比例的影响程度；另一方面,得到架空地板型燃池辐射供暖系统的热量传递变化规律,以及地板架空层内部热空气浮升力、温降速率、强化传热方式、地板蓄放热特性等因素对系统热量输配过程的影响权重,证明两个系统的综合热效率分别达到39.3%和56.7%。最后,基于对传统供暖系统改进模式的理论分析和实验研究,综合考虑住宅节能设计,确定了不同气候条件下炕采暖农宅的年耗热量,研究得出了燃池供暖面积与房间或农宅采暖面积间的比例关系以及两种改进模式供暖系统简化设计计算方法,为今后低成本、因地制宜地利用资源循环型采暖系统改善整栋农宅室内人居环境提供了工程设计依据。因此,在国家推进新农村建设的背景下,将传统供暖方式进行传热途径优化改进研究,对传统居住文化的传承及发展具有重要意义；同时,它体现了“天人合一”的自然观,实现了资源、能源的循环经济链,需要对其进行更加深入地实践探索、更多地挖掘生活智慧、更好地传承延续千百年的传统文化。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU832

【参考文献】