相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究

北京工业大学硕士学位论文相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究姓名：果海凤申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：陈超20080501摘要摘 要为满足不同地区，不同季节，不同气候条件下农作物和花卉的生长需要， 温室大棚应运而生。温室大棚又称太阳能温室，设计之初就是期望利用太阳的 能量，提高塑料大棚内或玻璃房内的空气温度，以满足植物生长的温度要求。 温室大棚反季节性、反地域性的功能特点使其为花冉、蔬菜等植物的生长提供 了一个适宜的小气候环境。但是，由于温室效应及太阳辐射强度较高等原因， 白天，温室大棚内的空气温度一般较高，多需通风换气，无形中浪费了一定能 量；而到夜间，由于传统温室大棚结构简单，蓄热和保温性能差，随着室外空 气温度的降低，冬季夜间又多需供暖。因此，在温室大棚内添加蓄热性较强的 相变材料白天蓄存温室内多余的太阳能，并为夜间供暖所用，其意义重大。我国北方地区，冬季日照率高且辐射量大，太阳能资源利用潜力巨大。本 课题正是基于上述温室大棚本身结构的构筑特点和相变材料的被动蓄放热特 性，提出将所研制的复合相变蓄能墙体材料应用于普通温室大棚墙体内表面， 构成集热蓄热墙式被动式太阳能温室，简称相变温室大棚。此种相变温室大棚 正是利用相变材料恒温或近似恒温条件下能够吸收和释放大量相变潜热的被动 蓄放热特性，白天蓄存温室大棚内多余的太阳能，夜间当棚内空气温度低于其 相变温度时，释放出其白天蓄存的能量，完全或部分替代夜间采暖，降低温室 内空气温度的昼夜波动性，达到太阳能利用的“时间转移”和“削峰填谷”的 目的。在上述节能理念的基础上，首先，搭建了相变温室与普通温室的缩尺寸实 验台，并进行了反复和长期的实验。通过对加热与不加热方案下实验结果的具 体分析可知，当平均室外空气温度较高（10C左右)，白天太阳辖射强度强烈时, 即使不加热相变温室也能表现出很好的节能特性；而在加热方案条件下，当保 证夜间温室大棚内空气温度高于相变材料的相变温度231左右 (实验方案I ) 时，相变温室大棚较普通温室大棚即能达到很好的节能效果，其耗电节能率n 达6.3%。在初步实验研究的基础上，采用传热学的方法，建立了温室内空气的数学 传热控制方程，提出采用显热容法求解相变传热问题，并引入等价比热的概念, 把三个方程描述的相变问题转化成了在整个计算区域中的一个“单相”非线性 导热问题，并以此求解相变温室大棚的传热问题。利用Matlab7.0编程软件自编 了相变温室程序，并进行了模拟计算，讨论了相变材料的热工参数（相变温度、 相变焓、比热、密度、导热系数等）对相变温室大棚传热规律和节能特性的影 响，并与普通温室大棚的计算结果进行比较，初步评价了相变墙体的节能特性。I北 京 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文结果表明,复合相变蓄能墙体材料应用于北京地区，当其最佳密度为1200kg/m 3, 最佳导热系数为0.6W/(mK)，最佳相变焓为120kJ/kg ，最佳相变材料层的厚度 为30mm ，最佳相变温度为 2(TC时，其供暖节能率n 约为2. 4%。最后，针对北京、拉萨等气象条件不同的五个地区，进行了相变温室与普 通温室的模拟计算，讨论了复合相变蓄能墙体对不同地区温室大棚耗煤量和北 墙内表面温度的影响规律，初步评价了相变温室大棚在不同地区应用的可行性 及节能特性。本论文通过被动式太阳能温室大棚本身结构的构筑特点及相变材料的被动 蓄放热特性的有利结合，必将推动太阳能利用的新的发展空间，为“社会主义 新农村”建设和农村经济发展及节约能源开辟了一条可行的途径，并为相变蓄 能墙体应用于温室大棚中或普通住宅建筑中有效利用太阳能等可再生能源提供 了一定的参考。关键词：温室大棚；复合相变蓄能墙体；实验研究；模拟计算；节能AbstractAbstractThe glass oi plastic greenhouse, which is also known as solar greenhouse, is designed for vising the solar energy to increase the indoor air temperature and satisfing the temperature requirements of the plants for growing, which provides an appropriate small climatic environment for the plant growth, achieves diversity, anti-season, anti-zone in the plant production in any season, and makes full use of the northern soil, and so on. However, due to the intense solar radiation in the daytime, the indoor air temperature is usually too high in the daytime, resulting that ventilation must be needed to set free the redundant heat, which wastes a lot of solar energy to a certain level. At the same time, because the poor heat insulation and the ineffective thermal storage characteristics of the traditional greenhouse, heating at night in winter is needed in order to create an environment meeting the temperature demand of plant growth.In many areas of north China, the solar energy resource is abundant in winter with the properties as long-time sunshine and intense solar radiation, however, the solar energy isnt always exploited properly in the greenhouse.Basing on the building characteristic of the glass or plastic greenhouse itself and the passive heat storage and release property of the phase change material, this paper introduces a new concept of passive solar greenhouse with the walls of heat-storage style, which is built by directly applying the new kind of composite phase change heat-storage material developed by our research group to the inner surface of walls in common greenhouse. The PCM wallboard, owing to the PCMs characteristic of absorbing or releasing large amount of latent heat isothermally, can store heat in the daytime. It does this when the surface temperature of the PCM wallboard is higher than the phase change temperature of the PCM in the daytime, thus cutting the peak temperature, and releasing heat while the surface temperature of the PCM falls under tiie phase change temperature of the PCM at night, thus completely or partially instead of normal energy sources, enhancing the indoor air temperature, reducing the heating energy consumption, and achieving the aim of energy conservation to a certain extent and “ time shifting in the use of solar energy.Grounding on the energy conservation concept above, this paper primarily introduces the experimental study. A small size experimental greenhouse (including the PCM greenhouse and the ordinary greenhouse) has been built, and repeated and long contrastive experiments have been completed. Experimental results show that,HIB 北 京 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论文when the outdoor air temperature is high and the solar radiation is intense in the daytime, the PCM greenhouse presents a good energy conservation characteristic without heating by the electricity. And when the outdoor air temperature is lower and heating by the electricity is needed, the electricity consumption of the PCM greenhouse can be lower than that of the ordinary greenhouse, and the power saving rate T reaches 6.3% as a result,so long as the indoor air temperature in the PCM greenhouse at night is 23*C higher than the phase change temperature (in the experimental stage I ), which better reflects the energy saving in the greenhouse with the new composite phase change heat-storage material.On Composite phase change heat-storage material;Experimental study; Numerical simulation; Energy conservationv独 创 性 声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意0签名：冢竭乳 日期： 讀）， q关 于 论 文 使 用 授 权 的 说 明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被査阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复印手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定）签名:軍竭闲、导师签名： M日期:第 1章 绪论第 1章 绪论1.1问 题 的 提 出作为世界上农业人口最多、经济增长最快的发展中大国,农业问题是中国能 否快速发展和保持繁荣稳定的根本。提高农业科技水平，大力倡导科技兴农己经 成为社会主义现代化建设的重中之重。温室大拥因其较好的隔热、保温作用，近 年来，被世界各国普遍采用。在我国北方地区，尤其是在北方的科技生产园区， 温室大拥更是随处可见。温室大棚己经成为实现我国农业现代化和走以农业增长 带动全国经济发展的突破口。图1-1 北京大兴地区温室大栩 Figl-1 Photo of greenhouse in Beijing DaXing district图1-2 温室大拥示意图 Figl-2 The model of greenhouse温室大棚又称太阳能温室，设计之处就是期望利用太阳的能量，来提高塑料 大栩内或玻璃房内的室内温度，以满足植物生长对温度的要求“ 。随着人们生活 水平的不断提高，人们对绿色蔬菜和水果花卉的需求也日益增长。温室大栩以其 为植物生长提供适宜的小气候环境，多样化，反季节化，反地域化，超时令生产 和提高农村土地利用率等优点己迅速发展成为“社会主义新农村”建设中的支柱 型经济产业的重点。但是，白天太阳辐射强烈时，由于温室效应的影响温室大拥内一般温度较 高，通常多需通风换气，以降低室内空气温度，无形中造成了能源的浪费：而 到夜间，由于传统温室大拥结构简单，蓄热性能和保温性能一般较差，当室外 空气温度降低时，为保证农作物正常生长的温度条件，冬季多需供暖，常规能 源消耗较大，太阳能并没有得到有效地利用。目前，温室大棚在全国各地应用广泛，传统的温室大拥主要采用三种供暖 方式：锅炉水暖加热，燃油热风炉和燃煤热风炉。其中，锅炉水暖加热的主要 弊端是：规模过大，不便于统一管理；燃油热风炉的主要弊端是：石油匮乏， 油价暴涨，成本太高。因此，燃煤热风炉依然是温室大拥中广泛采用的一种最1北 京 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文sm主要的供暖方式。但传统的供暖方式单一落后，并且由于燃煤热风炉本身的发 热率低，温室大棚保温性和蓄热性差等原因，导致采用燃煤热风炉的温室大棚 冬季燃煤过多，热环境难以维持；且释放了大量温室气体，严重污染环境。据 调査，北京地区燃煤热风炉的耗煤量为20Kg/h80Kg/h, 这样一个温室大棚每 年的耗煤量高达920 吨，常规能源浪费严重。经济的快速发展必定导致常规能源的巨大消耗面对日益严重的能源危 机，“开源节能”刻不容缓。太阳能、地热、河水、海水、地下水、空气（风） 能及地下能源等天然能源和可再生能源在建筑中的有效利用，是实现节约能源、 保护环境的基本国策，并己经得到了众多国内外学者的研究和肯定；其中，应用 最早和最有发展潜力的就是太阳能。众所周知，太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的可再生能源。太阳每年 以辐射形式送给地球表面的能量高达8. 5X 10l3kW,相当于2000年全球总能耗 的70万倍；每40min照射在地球上的太阳能足以供全人类一年能量的消耗。我 国位于地球的北炜1854,这一区域太阳的年辐射总量为3351000kJ/cm 2， 年照度时数为10003000h。研究结果表明：位于全年辐射强度大于500KJ/cm 2、 年照度时数超过2200h的地区，都属于太阳能资源利用价值髙的地区 51。月份图1-3 日总fi的变化kJ/(m*d) 图1-4北京地区全年太阳日平均辐射强度逐曰变化Figl-3 Total sunshine value of day kJ/(m*-d) Figl-4 Average solar radiation in Beijing district北京地区，冬季曰照率高达76%,且太阳高度角较小，直射到房间内的太阳 强度大，具有广阔的太阳能利用前景。由图1-3可知，北京地区1 年中冬季的太阳 辐射日总量非常大，而且南向墙面上接受的太阳日辐射量最大，远大于夏季南向 墙面接受的太阳日辐射量。据统计，1、2 、12月份投射在南向墙面上的总日射月 平均辐照量（逐月平均曰）的合计值高达43552kJ/(m 2_d)】 。图1-4为根据清华大学的Medpha软件计算得到的北京地区东，南、西向墙表2