北方住宅冬季通风与高效储能新风系统研究

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1、北方住宅冬季通风与高效储能新风系统研究重庆大学博士学位论文学生姓名：黄凯良指导教师：冯国会教授专业：供热、供燃气、通风及空调工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二O一五年五月StudyonWinterVentilationofNorthernResidentialBuildingsandEfficientFreshAirSystemwithEnergyStorageAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEng

2、ineeringByHuangKailiangSupervisedbyProf.FengGuo-huiSpecialty:Heating,Gassing,VentilatingandAir-ConditioningEngineeringFacultyofUrbanConstructionandEnvironmentEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要随着我国经济的快速发展，北方地区住宅建筑节能、室内空气品质保障与调控成为热点的研究问题。北方地区住宅建筑普遍没有安装机械通风系统，冬季开

3、窗通风是改善室内空气品质的重要手段。通过开窗获取新风的方法调控能力较差，在冬季室内外温差较大的情况下，长时间的开窗时间会造成严重的建筑热损失，而新风量不足是导致病态建筑综合征的重要因素。针对北方地区住宅建筑节能和室内空气品质的矛盾，本文系统围绕着制约北方地区住宅建筑通风的核心问题和高效储能新风系统研发开展研究工作，为解决北方地区住宅冬季通风问题提供可行的科学依据。本文通过网络平台和现场访谈的方式在北方地区典型城市-沈阳市开展了系统的居民冬季开窗通风相关问卷调查，在对大量样本分析筛选之后，选择了500户居民样本为研究对象，利用SPSS软件对居民开窗行为进行了归纳统计，分析

4、了影响居民开窗习惯和行为的多因素特征，以及这些因素与开窗习惯之间的独立相关性。在调研与统计分析的基础上，采用示踪气体法等测试手段对典型住宅建筑的不同尺寸房间进行了现场测试，得到了北方冬季开窗通风换气次数变化的基本规律以及房间尺寸、风向与开窗幅度等因素对换气次数的影响，并基于测试结果探讨了合理的冬季开窗习惯和行为。建立了房间冬季开窗通风的过程数学模型，利用Matlab软件编制程序进行求解。在模型中，基于测试数据提出了单开口通风的混合系数公式，对Warren的经验公式进行修正；将房间内壁面温度设为定解条件，通过大量测试数据拟合了房间壁面不同位置的温降规律。利用房间冬季开窗通

5、风过程数学模型分析了几种常见的开窗通风工况，得到了不同开窗尺度、室内初始温度以及室外温度条件下的换气次数变化规律。以测试房间为原型建立了开窗房间的物理模型，采用CFD手段模拟了冬季开窗通风情况下房间与外界的瞬态热交换过程，模拟得到了房间及开口处的温度场和速度场，有助于直观分析热压主导作用下单开口通风的流动换热特征。构建了太阳能新风集热器的简化数学分析模型，分析了提高太阳能利用率的因素，在此基础上研发了太阳能新风集热器，建立了基于整体封装相变材料、浮石强化导热、热管转移蓄热以及S通道的耦合集成的储能式太阳能新风系统。利用DSC测试设备对相变材料进行了不同程序的测试，得到了

6、更加准确的相变区间、潜热值等材料特性。对太阳能新风集热器进行了多工况的测试对比分析，获得了I重庆大学博士学位论文提高太阳能新风集热器集热效率的实际有效措施。测试耦合集成的储能式太阳能新风系统之后，得到了热管促进集热效率提升以及相变储能蓄换热装置延长新风供应时间的实际效果。针对蓄换热装置放热效果不够理想的问题，利用数值模拟的方法进行了缩减流道尺寸和缩减相变储能模块厚度的方案优化。研究结果表明，北方居民的开窗习惯不太合理且自然换气次数严重不足，居民有必要减少单次开窗时间并增加开窗频次，室内空气品质的主观感觉与居民健康意识与开窗习惯之间存在显著相关性；Matlab程序预测的模

7、拟值和实验值之间具有比较好的一致性，验证了数学模型理论思路（修正单开口通风经验公式、使用壁面温降规律等）的正确性；冬季开窗通风过程规律与夏季情况显著不同，呈现快速下降和趋于平缓的瞬态变化特征，在实验条件下房间尺寸对换气次数的影响要比开窗尺度、风向、室内初始温度、室外温度更为明显；研发的太阳能新风集热器在室外零度的情况下最高平均集热效率能够达到55.3％，在热管作用下太阳能的有效利用率进一步上升了6.9％，而相变储能蓄换热实验装置延长新风的供应时间为4.5小时；模拟优化方案中缩减相变储能模块厚度对于提升相变储能蓄换热装置的放热效果更加明显，