太陽能跨季節(jié)蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、能源是現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)和動(dòng)力，能源供應(yīng)、安全關(guān)乎我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)全局。當(dāng)前，世界政治、經(jīng)濟(jì)格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系亦隨之發(fā)生深刻的變化。我國(guó)能源資源約束日益加劇，生態(tài)環(huán)境問題突出，調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進(jìn)一步加大，能源發(fā)展面臨一系列新問題、新挑戰(zhàn)。太陽能作為一種取之不盡的清潔性能源，其高效利用對(duì)于解決能源問題和環(huán)境問題有重要的意義。經(jīng)過將近20年的高速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為太陽能熱利用生產(chǎn)與應(yīng)用第一大國(guó)。但是，當(dāng)前太陽能蓄熱

2、采暖發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，大規(guī)模蓄熱采暖示范工程較少、較高的土地使用成本、項(xiàng)目初投資巨大而經(jīng)濟(jì)性較差以及跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)復(fù)雜程度較高等因素嚴(yán)重制約項(xiàng)目的推廣。
　　作為蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，水箱和保溫材料的性能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的蓄、放熱量，其成本亦在整個(gè)蓄熱系統(tǒng)的投資中占有相當(dāng)大的比例。蓄熱量較小時(shí)，圓柱形水箱由于其較低的成本以及良好的保溫性能而得到廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓柱形水箱工作過程的研究已經(jīng)趨近于成熟。但是當(dāng)蓄熱量較大時(shí)，圓柱

3、形水箱的成本劇烈上升，且其壽命和性能均難以達(dá)到要求。矩形水箱具有強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在工程中可以根據(jù)場(chǎng)地情況現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，較圓柱形水箱有更高的土地利用率以及更低的成本，在大規(guī)模蓄熱方面有較為廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用矩形水箱作為蓄熱容器，在實(shí)際工況條件下對(duì)矩形水箱的保溫過程和蓄熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析。
　　課題的主要工作有:1.分析了蓄熱技術(shù)的應(yīng)用范圍和儲(chǔ)熱水箱研究現(xiàn)狀，論證太陽能蓄熱系統(tǒng)的社會(huì)效益和環(huán)境效益;2.儲(chǔ)熱

4、方案的確定，并對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行選型計(jì)算;3.建立了矩形水箱的有限元仿真模型，研究了入水口不同流速對(duì)水箱蓄熱性能的影響以及水箱在保溫過程形成溫度分層的機(jī)理，并在實(shí)際工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試;4.建立了箱體保溫材料有限元仿真模型，箱體保溫材料厚度和結(jié)構(gòu)對(duì)其保溫性能的影響;5.通過仿真，研究了管路保溫材料厚度對(duì)其性能的影響。研究結(jié)果表明:1、入口處流速在低于0.1m/s的情況下，水箱在蓄熱過程即形成良好的溫度分層，水箱上部水溫也能夠達(dá)到較高的水平，

5、水箱有用能數(shù)量較多，且品質(zhì)較好;2、隨著入口處流速的升高(大于0.1m/s)，水流沖擊深度不斷加大，水箱內(nèi)部冷熱摻混加強(qiáng)，水箱在蓄熱過程中不再形成溫度分層，當(dāng)流速介于0.3m/s～0.4m/s時(shí)，水箱內(nèi)部會(huì)形成“低溫死角”，當(dāng)流速大于0.4m/s時(shí)，“低溫死角”消失，水箱中部會(huì)形成“低溫水團(tuán)”，隨著入口處水溫的上升，水箱出口處流體溫度升高，致使太陽能集熱器和板式換熱器效率下降;3、當(dāng)前環(huán)境條件下，箱體保溫材料厚度達(dá)到80mm時(shí)，外表面溫

6、度與環(huán)境溫差會(huì)下降至3℃以內(nèi)，可以保證較為良好的保溫效果;4、箱體保溫材料外側(cè)圓弧面與平面為直接過渡，由于形狀發(fā)生突變，該處熱流密度較大，對(duì)保溫性能影響較大，使用圓角過渡，能夠有效降低該處的對(duì)流換熱強(qiáng)度;5、對(duì)于當(dāng)前系統(tǒng)管路，其外側(cè)保溫材料（橡塑保溫棉）為厚度30mm時(shí)，外表面與環(huán)境溫差為2.638℃，能夠達(dá)到良好的保溫效果;6、太陽能蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)生命周期范圍內(nèi)，每噸蓄熱量能夠節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5922.87t，減少二氧化、二氧化硫、煙塵和氮氧