风电供暖地板蓄能式低能耗建筑的热环境响应机理及风电消纳特性

For the problem of wind abandoning in the rapid application of clean energy, this project proposes a new phase change material (PCM) energy storage floor heating system which directly consume wind power based on low energy consumption and high thermal energy storage of low energy buildings. The energy conversion, thermal environment response mechanism and wind power consumption character of the new system are carried out by means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. First, set up the energy charging and discharging model of active PCM energy storage floor, analyze the heat change character of the new designed floor under dynamic wind power supply, and reveal the heat transfer mechanism of whole low energy building; second, set up the dynamic model of indoor thermal environment, analyze the regulation of indoor thermal environment response under the wind power heating system; finally, optimize the storage and distribution of energy and give the operation control strategy based on the goal of wind power consumption and indoor thermal environment comfort and considering the uncertainty factors of the system. This project reveals the thermal environment response and wind power consumption characteristics of the active energy storage low-e building, which will promote the construction of wind power heating system in low energy buildings and provide a new solution for wind power consumption.

针对我国清洁能源快速推进过程中弃风现象严重的问题，本项目基于低能耗建筑低供暖能耗和高蓄热性的特点，提出了以风电为直接能源的地板蓄能式低能耗建筑新型供暖系统。采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展该系统储能/释能机理、热环境响应机理和风电消纳特性的研究。首先，建立新型相变蓄能地板的储能/释能模型，研究其在风电动态变化规律下的储能/释能机理，揭示新型蓄能式低能耗建筑的整体能量转化规律；其次，建立室内热环境动态变化数学模型，研究该新型蓄能式低能耗建筑在风电直接供暖模式下的热环境响应机理；最后，基于风电消纳与热环境舒适的目标，充分考虑系统的不确定性因素，优化能量的储存与分配，提出相变蓄能地板储放热的优化控制策略。本项目的科学意义在于揭示了新型蓄能式低能耗建筑的热环境响应机理和风电消纳特性，其成果将促进低能耗建筑风电供暖的应用，为风电消纳问题提供新的解决办法。

作为常见的严寒地区低能耗建筑供暖末端，辐射供暖地板的热响应速率较慢、运行柔性较低，蓄热稳定性较差。这限制了其作为柔性储能供暖末端的潜力。本项目通过对低能耗建筑辐射供暖地板进行改进，提出了一种新型蓄能供暖地板，实验研究此地板的供暖以及蓄能效果，构建数理模型分析其传热以及蓄放热机理。在此基础上，详尽分析关键结构和运行参数对其供暖性能以及能耗特性的影响，提出适用于该蓄能供暖地板的运行优化算法。主要结论如下：.首先，提出了一种新型蓄能供暖地板，其在地板层内部嵌入通风管道以提升换热速率，并且在砂浆中加入微胶囊封装相变材料以提升地板的蓄能量。分析了相变材料分布位置、相变材料含量、不同通风系统形式以及间歇运行模式等对地板供暖效果的影响。.其次，基于传热学原理构建新型蓄能供暖地板传热以及蓄放热过程数学物理模型。采用参数分析以及响应面法分别研究理想条件下地板蓄放热量和热能利用效率与关键结构和运行参数之间的函数关系式。.然后，构建低能耗建筑中新型蓄能供暖地板传热过程数学模型，分别提出适用于传统电供暖系统以及混合风电供暖系统的蓄能供暖地板结构设计策略。结果显示，由于供暖地板运行柔性提升，系统可再生能源消纳效果、运行节能性以及室内热环境稳定性显著提升。.最后，设计了以运行费用、风电消纳量、碳排放费用以及室内热舒适时长为优化目标的改进粒子群动态随机优化算法，分别分析系统在单目标与多目标优化场景下的运行效果。结果表明，多目标优化算法可以找到综合最优解。相比于系统在基于规则的运行模式下的运行效果，优化后系统运行能耗显著降低，同时风电消纳激活时间显著提升。.整体而言，本项目的研究成果为提升严寒地区低能耗建筑供暖系统运行柔性以及供暖热舒适性提供了可行的技术手段、设计方案和优化策略，并为新型蓄能供暖地板的设计和应用奠定了一定的理论基础。