基于太阳能ORC热电联供的生土建筑热湿传递规律及系统特性研究

Earth buildings have attracted more and more attention for the advantages like energy conservation, recyclable characteristic, low cost and energy consumption for processing, non-pollution, etc. But for badly water repellent feature, earth buildings are affected by the water from indoor and outdoor environment like precipitation, ground, and air humidity. Water intrusion cause the thermal performance of building envelop change, and then affect the thermal and humidity load. Otherwise, in the traditional ways, photo-thermal and photoelectric technologies are used for heating and power respectively. In these project, the earth envelop is used as the radiator for a solar ORC co-generation system. Study the foundational problems of earth building thermal performance design conditions and co-generation system thermal process by theoretical and experimental methods. Build the coupled heat and moisture transfer and indirect characteristic parameter models to study the heat and moisture transfer mechanism in earth envelop, basing on pore structure of earth media; clarify the test and mathematical description methods for physical parameters of earth media. Build the co-generation system dynamic model to study the dynamic performance and to optimize the design parameters of it; develop the analytical procedure and program it to describe the thermal process for the co-generation system combined with the earth building, seek the optimal design condition of the earth envelop and optimize the operating condition and control strategy of the co-generation system. The results are used as theoretical direction for earth building thermal performance design and technical support for application of the solar ORC co-generation system using in earth buildings.

生土建筑重新受到广泛关注源于其节能、可再生、造价低、无污染等优点。但其拒水性差，容易受到雨雪、室内外空气中水分等影响，造成围护的热工性能变化，影响建筑热湿负荷。另外，传统的太阳能光热或光电一般为单独的供热或供电。本项目拟利用生土建筑围护作为太阳能ORC热电联供系统的散热器，通过理论及实验研究生土建筑围护热工设计及热电联供系统热力循环的基础问题。基于生土材料微观结构，建立热湿耦合传递模型和热湿传递系数等间接参数模型，研究其传热传湿机理；明确生土材料物性参数测试及表达方法；基于能量守恒，建立系统动态模型，研究热电联供系统的动态特性，优化设计参数；建立热电联供系统结合生土建筑的热过程分析方法并程序化，计算生土建筑围护最佳热工设计参数、优化热电联供系统工况点及运行策略。研究结果将为基于太阳能ORC热电联供的生土建筑围护结构热工设计提供理论指导，为热电联供系统在生土建筑中的应用提供技术支撑。

围绕太阳能有机朗肯循环热电联供的生土建筑热湿传递规律及系统特性，本项目主要从生土材料热湿特性及热湿传递规律、有机朗肯循环系统及应用、太阳能热系统仿真及应用三个方面开展研究。第一个方面，研究、建立了适用于生土材质的一维热湿耦合传递模型和计算求解方法，开发计算工具。当温度梯度为研究样本热过程的原始动力时，受热单元会出现明显排湿现象，湿分布会呈现单峰分布曲线，接近热源处含水梯度最大，湿度场前锋的推进过程在时空上存在滞后性。在同一热源下，水分含量低的土质0.092m3/m3水分转移强烈，从而带走更多的热量；含水量高的土质0.228m3/m3，具有较强的传热能力，这类土质内部热传导比水分传递起着更重要的作用。土质特性系数a影响粘土体积含水量在到达峰值后体积含水量降低的速率；土体粒径分布系数b影响粘土体积含水量到达峰值的时间。研究了我国典型地域的生土材料热湿性能、生土墙体平衡湿度曲线模型，获取其平衡湿度曲线。建立了生土墙体含湿量与孔隙内空气相对湿度的关系。第二个方面，研究了系统主要部件的理论模型、系统模拟计算方法；建成2kW户用有机朗肯循环热电联供系统实验装置。实验验证理论循环的正确性、准确度，并利用实验开展系统动态特性分析、验证各部件模型和进行系统优化。当环境温度不变时，工质质量流量从0.02kg/s上升到0.08kg/s的过程中，有机朗肯循环系统的循环净功和热效率的趋势则大不相同。循环净功由0.46kW先增加到1.46kW，再降低到1.26kW。而热效率则逐渐降低，从11%降低到8.4%。第三个方面，研究了太阳能热系统、户用型有机朗肯循环热电联供及生土建筑围护的特性及相互作用机制。使用动态热模拟程序，搭建了动态性能仿真数字平台，将太阳能热系统、有机朗肯循环热电联供系统及生土围护建筑耦合计算，仿真结果表明，当墙体厚度为50 cm时，生土建筑所需能耗仅为36 W/m2。