太阳能空气集热及双效集热模块实验和理论研究论文

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’Sdegree固幽ExperimentalandNumericalStudyonSolarAirHeaterandDual-FunctionSolarCollectorAuthor’sName：JinweiMaspeciality：ThermalEngineeringSupervisor：Prof．JieJiFinishedtime：May5th，2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是

2、本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名签字日期：塑婆：≤：[中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一．学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版．允许论文被查阅和借阅．可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的

3、内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。囹公开口保密(年)作者签名：签字日期：翩龇盘签字日期：2D，弓，6．厂签字日期：兰!12：芝立

4、_摘要随着能源、环境问题日益严峻，可再生能源的利用、研究和发展迫在眉睫。太阳能依靠其广泛、清洁以及利用简便的特点备受瞩目，太阳能与建筑一体化技术合理地将建筑的用能需求、结构特点与太阳能利用相结合，克服了太阳能能流密度低、分散性强的不利条件，是太阳能利用的重要途径。太阳能与建筑一体化技术中，建筑采暖系统和太阳能热水系统是应用较为普遍的方式。主动式太阳能空气集热系统可以应用于北向建筑房

5、间的采暖，空间大、纵深长的工业建筑采暖、通风，以及拓展应用于工业、农业产品的干燥等，应用前景广阔。由于空气的密度、热容和导热系数较小，空气集热器的光热转换效率偏低。本文提出一种镀有选择性吸收涂层、带平行翅片结构的双流道式空气集热器，利用选择性吸收涂层减少吸热板的辐射热损，翅片和双流道换热结构可以增大空气与吸热板的换热面积。搭建了空气集热器的实验测试平台，并对单块集热器以及两块集热器串联工况的空气集热性能分别进行了实验研究。结果表明，这种新型结构集热器热效率高于传统的空气集热器；串联之后效率有所降低，但获得了更高的出口温度，在环境温度为0℃

6、左右的寒冷冬季，可获得超过70"C的热空气，对建筑采暖以及工农业的应用具有非常重要的意义。本文建立了双流道式空气集热器的理论模型，对空气集热器热性能进行了数值模拟计算，并与实验测试数据进行了对比分析，结果显示数值模拟结果与实验结果具有较高的吻合度。利用验证后的理论模型研究了吸热板表面吸收涂层的特性、背板保温层厚度、上下流道高度比例以及翅片结构对空气集热器性能的影响。建立了上流道式、下流道式空气集热器的理论模型，并结合己建立的双流道式空气集热器理论模型，对三种不同流道结构的空气集热器进行了热效率分析和炯分析，基于热力学第一定律和第二定律对三

7、种流道结构条件下空气集热器的空气流道高度进行了研究和优化。在大型建筑采暖或工农业应用中，由于空气集热系统通常为大面积联用，单一的空气集热功能导致系统全年利用率不高。基于此问题，结合空气集热和水集热的换热特点，本文研制出一种基于主动式空气集热的双效集热模块．该模块可以实现集热空气和集热水功能。模块组成的集热系统可在冬季为工业厂房、北向建筑等提供热空气采暖，其他季节提供工业过程所需要的热水，大大提升了系统的经济性和太阳能利用率。本文分别搭建了模块主动式空气集热和自然循环式水集热的实验测试系统和理论模型并进行了实验和理论研究。实验结果显示，模块

8、在两种集热模式下均具有较高热效率。利用经过实验验证的理论模型在考虑模块摘要两种集热模式的情况下对双效集热模块的内部结构进行了分析和优化，并对空气一水复合集热性能进行了研究，结果显示模块在复合集热模式下全天平均集热效率比单独集热空气或单独集热水更高。与我国北方住宅建筑结合的太阳能热水系统在冬季存在防冻问题，而用于建筑采暖的太阳能被动采暖技术，!tDTrombe墙、改进后的利用金属薄板作为吸热板的Barra--Costantini墙等在非采暖季存在闲置现象，炎热的夏季甚至会造成建筑过热。本文针对此问题，提出一种基于被动采暖功能的被动式双效集热

9、模块。采暖季利用被动采暖功能为建筑供热，非采暖季运行集热水功能提供生活热水，提高了系统的全年利用率及经济性。由于太阳能被动采暖建筑室内温度昼夜波动较大，本文创新性地提出将被动式双效集热模块与炕