太阳能热水相变储热系统在住宅建筑中的高效利用研究

发布时间：2020-08-19 09:40

【摘要】：建筑能耗的日益增长使得太阳能等可再生能源受到更多关注。太阳能热水系统作为太阳能热利用的主要部分,提高其利用效率对解决能源问题意义重大。集中集热式太阳能热水系统因其特有优点在住宅建筑中有较好的发展前景,但保证率较低是目前使用过程中暴露的问题之一。采用合理的封装形式将相变材料与太阳能热水系统相结合,可以很好地提升系统保证率,有利于集中集热太阳能热水系统的应用推广。本文以住宅建筑集中集热分散供热太阳能热水系统为研究对象,对比五种系统形式特点最终选择了集热水箱直接蓄热形式。相变水箱采用球形相变单元堆积形式,选用石蜡为材料,通过实验对相变单元材质、单元直径以及相变材料导热率进行了测试,最终选取直径为60mm不锈钢球灌装相变材料并添加石墨粉加强换热。在此基础上搭建了一套太阳能热水相变储热系统。为了对比不同相变温度的运行效果,选择55度和60度两种材料分别测试相变水箱蓄热、放热和保温性能。蓄热实验模拟不同太阳辐照量情况下相变水箱蓄热表现,放热实验对比了温差控制模式与跟随控制模式下水箱放热情况,考察了水箱实际放热性能。此外,文章以用户日最大需求为系统当日需求量,对太阳能热水相变储热系统保证率进行了计算。实验结果表明在10.8 MJ/m~2、15.1 MJ/m~2和19.4 MJ/m~2太阳辐照量下两种相变材料均可在2-4.5小时内完成蓄热。放热实验中55度相变材料放热效率平均为78%,60度相变材料放热效率平均为83%。温差控制模式适用于用户入住率不高,或者日总需求不高的情况,而跟随控制模式适合于入住率较高,或者用热量波动大的情况。以天津典型年气象参数为基础,相同用能情况下,未添加相变水箱系统年运行(3-10月)太阳能保证率为53%。添加55度相变水箱系统太阳能保证率平均值达到79%,添加60度相变水箱太阳能保证率平均值达到83%,提高了26%-30%。研究成果不仅说明了相变材料在集中集热式太阳能热水系统中可显著提高太阳能保证率,而且在防过热与提升阴雨天保证率方面也具有一定作用。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK513.5
【图文】：

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我国建筑能耗现状及组成着国家经济的飞速发展，城市化水平也在不断提高。城市数量从，到 1988 年的 434，增加了 2 倍还要多。据 2014 年数据统计结果市已有 664 个。城镇数量的增加，刺激了建筑行业的迅猛发展。中积在 5 年内翻了一番[1]，从 2000 年的 77 亿 m2增长到 2004 年的近个数字到 2007 年又变为 128 亿 m2，增长速度远远超过了世界银0 年代中期预言的中国建筑总量十年翻一番的速度。随之而来的是断加大。2011 年建筑总能耗（不含生物质能）为 6.87 亿 tec[2]，占 19.74%，可见建筑能耗在全国总能耗中占有较大的比重。图 1-1-2011 年建筑总能耗和能耗强度的逐年变化，从图中可以看出，建速增长趋势，而建筑能耗强度是缓中有升，这两方面都会引起能耗因此如何去应对日益增长的能源需求是一个热点问题。

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太阳能热水系统。分散集热太阳能热水系统比较常见，每户独立使用热水，控制方式简单分配问题。缺点主要有：住宅屋顶面积有限，集热资源无法共享；管道，总成本反而会高于集中式热水系统。分散集热太阳能热水系统又可以整体式系统和分散分体式系统（如图 1-2）。集中集热太阳能热水系统实现了集热资源共享，具有管路简单，减少设，与建筑结合更加美观等优点。但具有某点出现故障维修不及时影响范题。根据供热方式的不同集中集热太阳能热水系统又可分为集中供热和两种形式。集中供热太阳能热水系统（如图 1-3（a）），由统一的集热器集分配到用户。除了具有集中集热系统共有的优缺点外，最远端用户每次放出较多冷水是其弊端之一。分散供热太阳能热水系统（如图 1-3（b集热后将热水送至每个用户的水箱中，系统仅需要部分循环水即可完成递。这样可以减少水箱占地面积，且物业管理相对简单。因此，本文将集热分户供热太阳能热水系统作为研究对象。

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（a）分散整体式（b）分散分体式图 1-3 集中集热太阳能热水系统示意图集中集热太阳能热水系统在很多地区已经有广泛的应用[8-10]，但其保证率较低是目前使用过程中暴露的问题之一。有学者[11]依托实际工程分析集中式太阳能热水系统运行保证率影响因素，主要有集热器、集热水箱水量和系统热损失三方面。太阳能热水系统多采用平板式集热器和真空管式集热器。平板式集热器运行温度低，高温段效率较低，热损大[12,13]，导致应用方面的局限性；真空管式集热器在建筑入住率不高或辐照度较大的情况下易出现过热问题[14]，即太阳能真空管收集的热量没有及时使用或及时采取散热措施，热量累积，温度上升导致热水器“开锅”甚至超过系统的承压能力，从而影响设备寿命。如果采用一种储能密度大、体积小、具有合适换热温度的物质可以减少平板式太阳能系统热量损失或是吸收真空管式太阳能系统的过热量，待用户使用时将热量放出，提升系统保证率。因此，相变材料走进了人们的视线[15-17]。

【参考文献】