基于太阳能炕的主被动复合采暖的建筑热环境研究

To address the problems of room heating by the traditional Kang, such as uneven temperature on the surface of Kang, severe air pollution, poor safety and relatively low room temperature, this project proposes a new concept of using solar energy to heat Kang through active hot water, and further combining the solar Kang with passive heating collector, to form a hybrid solar room heating system based on Kang with both active and passive heating. The novel hybrid heating system not only decreases the consumption of conventional energy, but also improves the indoor thermal comfort. It is a new approach of building-integrated solar thermal application on northern region of China. By both numerical and experimental studies, this project will investigate the mechanism of the heat transfer and heat storage of the solar Kang, the approach to the even temperature distribution on the Kang surface,the heat transfer characteristics of the dual-function solar thermal collector, the optimization of the structure and operation of the hybrid solar heating system, the influence of the hybrid heating system on the indoor thermal environment, and the performance analysis and evaluation of the heating system. The results of the project will provide both theoretical basis and experimental support for the application of the hybrid solar heating system on northern rural buildings of China.

针对传统火炕常规能源消耗大、炕面温度分布不均匀、空气污染严重、安全性差、室内温度偏低的问题，本项目将太阳能作为热源，通过主动式热水循环为炕提供热量，并进一步与新型被动采暖模块结合，创新性地提出一种基于太阳能炕的主被动采暖复合系统。新型复合系统不仅降低常规能源消耗，还可提高室内整体热环境舒适度，开拓我国北方地区太阳能光热与建筑一体化应用的新途径，具有良好的应用前景。本项目采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对太阳能炕蓄热/传热机理、太阳能炕面均匀温度场的构建、被动采暖模块换热特性、太阳能炕与被动采暖复合系统结构和运行方式优化，太阳能炕与被动采暖复合系统对建筑热环境的影响以及综合性能评价方法等方面开展研究，以期为太阳能炕与被动采暖复合系统在北方农村建筑的应用提供理论依据和实验支撑。

本项目针对现有传统火炕采暖中存在的能源消耗大、炕面温度分布不均匀、空气污染严重、安全性差等问题，结合太阳能采暖的优点，提出了一种空气被动集热与太阳能炕结合的采暖系统，旨在寻求一种节能、环保、经济、舒适的太阳能采暖途径。项目在合肥地区建立的热箱实验平台，对系统的不同运行情况进行了测试，并对不同运行模式下系统的运行效果进行了测试，以寻求最佳的运行效果；分析的系统各部分对整体采暖的影响，验证了炕面温度分布的均匀性。在青海实地进行了该种太阳能主被动复合采暖系统的安装和测试，结果表明，太阳能炕夜间表面温度可保持在27-38℃之间，空气集热系统可有效提高室内温度。根据青海省互助县的示范建筑的测试情况，建立了一套理论数学模型，对整个实验的情形进行了模拟，并与实际的运行结果进行了对比分析，验证了模型的正确性。项目中进行的测试结果显示，系统有着良好的集热效率和太阳能保证率，有着较好的节能效果和经济效益。项目完成至今，共发表了学术论文18篇，其中SCI论文12篇；授权专利5项；培养了博士生6名，硕士生2名。项目研究不仅为太阳能炕与被动采暖复合系统在北方地区的推广应用提供理论和实验支持，更将太阳能利用与保护和传承我国特色的民族文化结合，有重要的研究和应用价值。