一种太阳能集热器及其地下建筑系统

1.本发明涉及一种集热器及其地下建筑系统技术，尤其涉及一种平板式集热器。


背景技术：

2.随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。
3.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1
×
10
18
kw
·
h，为世界年耗总能量的一万多倍。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小(每平方米约一千瓦)，而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。
4.太阳能利用装置是将太阳光能转化为热能，通过热能将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用需求。利用太阳能这种清洁能源有利于减少非可再生能源的使用，降低碳的排放。
5.研究和工程应用都表明，平板式集热器和热管都各自有着优异的换热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在换热领域得到广泛应用。
6.(1)设置电动热网循环泵，厂用电率高。根据规范，电动热网循环泵需设置两路电源，对大功率电动热网循环泵来说，电气设备投资费用高。
7.(2)设置疏水泵，在发电量不变的情况下，厂用电将增加，燃煤量增加，运行费用增加，污染物排放量也相应增加。
8.(3)疏水泵的投资利用率低。北方地区的供暖期一般为4个月，供热系统所设置的疏水泵仅供暖期间投运，其他时间处于闲置状态。
9.建筑围护结构是影响建筑室内环境和能源消耗量的决定性因素之一，其传热系数是衡量围护结构热工性能的重要参数，即衡量围护结构隔热性能好坏的重要指标。地上建筑围护结构保温隔热措施的日益完善，地上建筑围护结构传热引起的热损失也就相对越来越少。因此，地下建筑围护结构的传热在建筑总负荷以及建筑整体室内的热环境分析中占据了一定的比重。
10.当前对于地下建筑传热计算方法研究多采用简化计算方法，计算结果不够精确，计算步骤相对较为复杂。
11.本发明提供了一种新式平板式集热器及其地下建筑系统，通过下部的毛细力以及上部设置的支柱之间的配合，通过配合上部设置的扁平管上部部分，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现集热的高效、均衡以及精准集热。


技术实现要素：

12.本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的板式集热器。
13.本发明技术方案如下：
14.一种太阳能集热器，所述集热器包括板式集热器和反射镜，所述集热器包括位于底部的下部部分和位于上部的上部部分，上部部分和下部部分都是板状结构，上部部分位于下部部分上部，所述下部部分包括第二板和第一板，第二板位于第一板上部，所述第二板的下表面上设置向下延伸的支柱，其特征在于，上部柱体是弹性部件，通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷上部柱体，上部柱体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。
15.作为优选，上部柱体可以是弹簧。
16.作为优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大。
17.作为优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大的幅度不断增加。
18.作为优选，第一板的上表面上设置向上延伸的下部柱体，所述下部柱体构成下部柱体阵列，所述第二板和第一板形成封闭的下部部分，下部柱体阵列和支柱共同构成下部部分的液体回流部分，支柱之间的间隙大于下部柱体之间的间隙，在下部柱体之间产生毛细驱动力；所述上部部分包括盒体和位于盒体上部的上盖，所述盒体包括从盒体底壁向上延伸的上部柱体；所述上盖上设置进口和出口；所述反射镜反射太阳光到集热器下部部分的底部。
19.一种地下建筑围护结构热传导建模和计算方法，包括地下空间，所述地下空间包括空间周围的建筑围护结构，所述方法包括以下步骤：
20.步骤1：基于有限容积法进行传热计算，选择三维非稳态导热无内热源微分控制方程：
21.并设置各边界条件；其中参数表示如下：
22.t表示地下空间温度，τ表示时间，x,y,z表示地下空间坐标，ρ表示地下空间材料密度，c
p
表示地下空间材料定压比热，λ表示地下空间材料导热系数；
23.步骤2：区域离散化，给出数值离散方程，建立方程的方法为控制容积法中的热平衡法，假设(i,j,k)为内节点，由热平衡法中外节点法可以得到，当dx＝dy＝dz时：
[0024][0025]
步骤3：建立节点物理量代数方程，为了方便研究，对地下建筑计算区域的网格节点进行编码；选取坐标轴x轴、y轴和z轴，建立数学模型；
[0026]
步骤4：判断计算节点所在区域：节点位于土壤区域时，应用土壤热物性参数；节点位于建筑围护结构区域1、2时，应用对应围护结构区域1、2的热物性参数；
[0027]
步骤5：使用matlab进行程序计算，得到地下建筑围护结构内表面平均温度和热流；根据牛顿冷却公式和傅里叶定律计算得到围护结构名义传热系数。
[0028]
φ＝h
in
(t
w-tf)
[0029][0030]
其中参数表示如下：φ表示墙体内表面的热流密度；tw表示墙体内表面温度；tf表示室内空气温度；h
in
表示墙体内表面与室内空气的对流换热系数；k表示围护结构名义传热系数；t0表示室外空气温度。
[0031]
作为优选，所述步骤1具体为：
[0032]
室外地表边界条件为第三类边界条件：
[0033][0034]
土壤深处为恒温层边界条件：
[0035]
t|
z＝c
＝t
g,m
[0036]
地下区域四个远场绝热边界条件：
[0037][0038][0039]
地下建筑室内表面边界条件：
[0040][0041][0042]
式中λ为各边界材料的导热系数，h
out
为室外表面对流传热系数，tf为空气温度；t
g,m
为当地室外地表面年平均温度，c为恒温层深度；b
x
,by为远场边界与中心点的距离；h
in
为室内表面对流传热系数，t
in
为室内空气温度，l
x
,ly为室内边界与中心点的距离。
[0043]
作为优选，所述步骤2具体为：
[0044]
编号为(i,j,k)的节点周边有6个相邻节点，过(i,j,k)与各相邻节点连线的重点做界面，围成的长方体作为研究对象，根据这个长方体的热平衡列出节点方程如下：
[0045]
内部节点为：
[0046][0047]
室外地表面边界节点为：
[0048][0049]
室内表面边界节点为：
[0050][0051]
土壤区域竖向边界条件为：
[0052][0053]
作为优选，所述步骤4具体为：
[0054]
根据计算部分所在区域不同，为导热方程选择对应参数：
[0055][0056][0057][0058]
式中ρ1、ρ2、ρ3分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的密度，c
p1
、c
p2
、c
p3
分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的定压比热，λ1、λ2、λ3分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的导热系数，τ为时间变量，t为τ时刻温度值。
[0059]
作为优选，将规范中冬季设计供暖室外温度和夏季设计空调温度作为冬、夏季设计温度，在地下建筑所在城市的全年室外日均温度中找出最接近于设计温度的时刻及对应的室外计算温度；过找出的冬、夏季计算温度值所在日地下建筑的最大水平与竖直围护结构热流得到设计工况下的地下建筑冬、夏季的设计负荷，分别推导计算得到冬、夏季工况对应的传热系数，即为地下建筑的冬季名义传热系数和夏季名义传热系数。
[0060]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0061]
1)本发明通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷上部柱体，上部柱体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。
[0062]
2)本发明提供了一种新的板式集热器，通过设置下部部分和上部部分，下部部分
具有热管属性，上部部分具有板式集热器属性，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现高效、均衡以及精准集热。
[0063]
3)本发明通过集热量不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在反射镜数量保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。
[0064]
4)本发明提出了一种新的地下建筑围护结构热传导建模和计算方法。本发明基于无内热源三维非稳态导热微分方程通过采用有限容积法对地下区域进行数学建模，通过matlab进行传热计算，在保证模型精度的基础上，计算精度更加准确。
[0065]
5)本发明可以得到的名义传热系数拟合公式为地下建筑冷热负荷设计提供了可靠而又简便的计算工具，对实际工程设计具有很好的参考价值和指导意义。
附图说明
[0066]
图1是本发明板式集热系统的结构示意图；
[0067]
图2是本发明板式集热器的结构示意图；
[0068]
图3为本发明的集热器下部部分第二板下部结构示意图；
[0069]
图4为本发明实施例的地下建筑热传导建模示意图；
[0070]
图5为本发明涉及的matlab程序计算流程图；
[0071]
图6为本发明实施例的计算网格划分示意图；
[0072]
图7为本发明实施例的全年平均热流和温度示意图；
[0073]
图8表示节点关系示意图。
具体实施方式
[0074]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行补充说明。
[0075]
图1展示了本发明板式集热系统的结构示意图。如图1所示，所述集热系统包括板式集热器1和反射镜2，所述反射镜2反射太阳光聚焦到集热器，用于加热集热器内部的流体。
[0076]
如图1所示，所述反射镜2包括多组，其中每组包括一个或多个反射镜，每组反射镜反射太阳光到集热器的不同位置。例如如图1所示，分别反射太阳光到集热器的左侧中间和右侧三个位置。
[0077]
作为优选，可以分别反射太阳光到集热器的中心位置和四周位置，用于分别独立加热集热器的中心位置和四周位置。
[0078]
作为优选，反射镜安装在支撑物上。
[0079]
作为优选，反射镜可以进行上下方向转动和/或者绕着支撑物旋转以改变集热器上的太阳光的聚焦位置。
[0080]
图2-3展示了本发明的板式集热器结构示意图。如图2所示，一种板式集热器，所述集热器包括下部部分3和上部部分4，上部部分4位于下部部分3上部，所述下部部分3包括第二板31和第一板。如图2、3所示，所述第二板31的下表面上设置向下延伸的支柱311，第一板的上表面上设置向上延伸的下部柱体321，所述下部柱体321构成下部柱体阵列，所述第二
板31和第一板形成封闭的下部部分3，下部柱体与支柱连接；下部柱体阵列和支柱311共同构成下部部分的液体回流部分，支柱之间的间隙大于下部柱体之间的间隙，在下部柱体之间产生毛细驱动力；所述上部部分4包括盒体和位于盒体上部的上盖，所述盒体包括从盒体底壁向上延伸的上部柱体；所述上盖上设置进口421和出口422。
[0081]
本发明提供了一种新的板式集热器，通过设置下部部分和上部部分，下部部分具有热管属性，上部部分具有板式集热器属性，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现集热的高效、均衡以及精准集热。
[0082]
作为优选，第二板内布置的支柱311之间的间隙大于第一板下部柱体之间的间隙，下部柱体的直径和下部柱体之间的间距以产生毛细驱动力。下部柱体阵列具有较小的直径和间距以增大毛细驱动力，目的是为了提高下部内冷凝液体回流的动力，防止局部的高热流密度将其局部瞬间蒸干。并且，下部柱体作为肋片可以加快内部液体工质蒸发相变，减少传热热阻。
[0083]
本发明提供了一种新的板式集热器，通过第二板设置支柱，第一板设置下部柱体，支柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到第一板，通过下部柱体之间的毛细力将液体抽吸到第一板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。下部设置下部柱体，通过下部柱体的毛细力也能够使得整体的流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。所述的下部柱体也是肋片，同时加热附近周围的流体，使其快速蒸发，支柱都同时起到翅片作用，起到强化传热作用。
[0084]
作为优选，所述进口和出口设置在上盖的两个对角位置。
[0085]
作为优选，支柱是正方形，下部柱体和上部柱体是圆形。
[0086]
作为优选，支柱分为多组，每组是四个，多组支柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支柱以及互相平行的纵行支柱。
[0087]
作为优选，所述上部柱体的高度要大于上部部分的高度。
[0088]
支柱之间设置间隙，支柱311下部对应的下部柱体的毛细力小于支柱间隙对应的下部柱体的毛细力。通过上述设置，可以使得流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
[0089]
作为优选，两个支柱311之间的间隙下部对应的下部柱体的毛细力，从一个支柱到另一个支柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。通过上述设置，可以进一步使得通过毛细力抽吸到间隙中去，可以使得流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
[0090]
作为优选，毛细力先是逐渐变大的幅度越来越大，然后逐渐变小的幅度越来越大。上述设置可以进一步提高均匀程度。
[0091]
作为优选，逐渐变大到逐渐变小的临界点是间隙的中部，即从一个支柱到间隙中部，毛细力先是逐渐变大，然后从间隙中部到另一个支柱毛细力逐渐变小。
[0092]
作为优选，随着间隙距离的增加，间隙下部对应的下部柱体毛细力与支柱下部对应的毛细力之间的差距也越来越大。通过如此设置，能够使得更加换热均衡，避免换热不均。
[0093]
作为优选，支柱分为多组，每组是四个，多组支柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支柱以及互相平行的纵行支柱。
[0094]
作为优选，所述进口和出口设置在壳体的对角位置。
[0095]
作为优选，所述上部柱体是弹性部件，通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷上部柱体，上部柱体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。
[0096]
作为优选，上部柱体可以是弹簧。
[0097]
作为优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大。因为随着研究发现，随着流体进行换热，流体温度越来越高，更加容易积垢，而且沿着流体流动方向结垢程度越来越严重，因此通过设置弹性程度不断增加，已达到进一步除垢强化传热目的，减少大弹性的导热体，降低成本。
[0098]
进一步优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大的幅度不断增加。上述的变化也是根据研究发现的，符合结垢的规律，能够进一步降低成本，提高换热效率，降低结垢。
[0099]
本发明提供了一种地下建筑系统，如图4所示。地下建筑系统包括前面所述的太阳能集热器系统。通过太阳能系统向地下建筑系统，例如地下室提供热水或者热风。提供热水或者热风的结构已经是本领域的现有技术，在此就不再进行详细描述。
[0100]
如图4所示，地下建筑系统包括地下室以及包围地下室的建筑围护结构。
[0101]
建筑围护结构是影响建筑室内环境和能源消耗量的决定性因素之一，其传热系数是衡量围护结构热工性能的重要参数，即衡量围护结构隔热性能好坏的重要指标。地上建筑围护结构保温隔热措施的日益完善，地上建筑围护结构传热引起的热损失也就相对越来越少。因此，地下建筑围护结构的传热在建筑总负荷以及建筑整体室内的热环境分析中占据了一定的比重。
[0102]
当前对于地下建筑传热计算方法研究多采用简化计算方法，计算结果不够精确，计算步骤相对较为复杂。
[0103]
针对存在的问题，本发明提出了一种地下建筑围护结构热传导建模和计算方法，本发明实现了离心泵监测噪声信号的特征提取，解决了现有的傅里叶变换、小波分析、经验模态分解算法存在的缺陷，详见下文描述：
[0104]
步骤1：基于有限容积法进行传热计算，选择三维非稳态导热无内热源微分控制方程：
[0105]
并设置各边界条件；
[0106][0107]
步骤2：区域离散化，给出数值离散方程，建立方程的方法为控制容积法中的热平衡法，假设(i,j,k)为内节点，由热平衡法中外节点法可以得到，当dx＝dy＝dz时：
[0108][0109]
步骤3：建立节点物理量代数方程，为了方便研究，对地下建筑计算区域的网格节点进行编码；选取坐标轴x轴、y轴和z轴，建立数学模型；
[0110]
步骤4：判断计算节点所在区域：节点位于土壤区域时，应用土壤热物性参数；节点位于建筑围护结构区域1、2时，应用对应围护结构区域1、2的热物性参数；
[0111]
步骤5：使用matlab进行程序计算，得到地下建筑围护结构内表面平均温度和热流；根据牛顿冷却公式和傅里叶定律计算得到围护结构名义传热系数。
[0112]
φ＝h
in
(t
w-tf)
[0113][0114]
其中参数表示如下：φ表示墙体内表面的热流密度；tw表示墙体内表面温度；tf表示室内空气温度；h
in
表示墙体内表面与室内空气的对流换热系数；k表示围护结构名义传热系数；t0表示室外空气温度。
[0115][0116]
优选地，所述步骤(1)具体为：
[0117]
室外地表边界条件为第三类边界条件：
[0118][0119]
土壤深处为恒温层边界条件：
[0120]
t|
z＝c
＝t
g,m
[0121]
地下区域四个远场绝热边界条件：
[0122][0123][0124]
地下建筑室内表面边界条件：
[0125][0126][0127]
式中λ为各边界材料的导热系数，h
out
为室外表面对流传热系数，tf为空气温度；
t
g,m
为当地室外地表面年平均温度，c为恒温层深度；b
x
,by为远场边界与中心点的距离；h
in
为室内表面对流传热系数，t
in
为室内空气温度，l
x
,ly为室内边界与中心点的距离。
[0128][0129][0130]
优选地，所述步骤(2)具体为：
[0131]
如图8所示，内部节点为：
[0132][0133]
室外地表面边界节点为：
[0134][0135]
室内表面边界节点为：
[0136][0137]
土壤区域竖向边界条件为：
[0138][0139][0140]
优选地，所述步骤(4)具体为:根据计算部分所在区域不同，例如分为三个区域，选择对应的导热方程参数
[0141][0142][0143][0144]
式中ρ1、ρ2、ρ3分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的密度，c
p1
、c
p2
、c
p3
分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的定压比热，λ1、λ2、λ3分别为区域ⅰ、ⅱ、ⅲ的导热系数，τ为时间变量，t为τ时刻温度值。
[0145][0146][0147]
优选地，将规范中冬季设计供暖室外温度和夏季设计空调温度作为冬、夏季设计
温度，在地下建筑所在城市的全年室外日均温度中找出最接近于设计温度的时刻及对应的室外计算温度；过找出的冬、夏季计算温度值所在日地下建筑的最大水平与竖直围护结构热流得到设计工况下的地下建筑冬、夏季的设计负荷，分别推导计算得到冬、夏季工况对应的传热系数，即为地下建筑的冬季名义传热系数和夏季名义传热系数。
[0148]
综上所述，通过本发明所构思的以上技术方案和现有技术相比，具有以下有益效果：(1)基于无内热源三维非稳态导热微分方程通过采用有限容积法对地下区域进行数学建模，通过matlab进行传热计算，在保证模型精度的基础上，计算精度更加准确。(2)得到的名义传热系数拟合公式为地下建筑冷热负荷设计提供了可靠而又简便的计算工具，对实际工程设计具有很好的参考价值和指导意义。
[0149]
以一座别墅建筑的地下室为例，该地下室长、宽、高分别为12.0m、9.0m、4.0m，室内温度取冬季室内设计温度20℃和夏季室内设计温度26℃的平均值23℃，室外温度取济南市全年室外空气干球温度。对其围护结构在不同室外温度下三维非稳态传热过程进行数值模拟。土壤的导热系数、围护结构的导热系数分别为1w/(m
×
k)、1.5w/(m
×
k)。通过公式建立计算模型，放入matlab进行计算，计算结果图如图5。
[0150]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。