微通道相变蓄热式PV-Trombe墙光伏光热耦合特性及对室内热环境影响研究

A conventional passive Trombe wall system usually suffers from lower thermal resistance during winter night, overheating in hot summer days and single function nature. To that end, a novel Photovoltaic Trombe wall with micro-channel phase change heat storage (MPCHSPV-TW) is proposed in this project. Based on the theoretical analysis, experimental study and numerical simulation, the present project is concentrated in the following investigations: firstly the process of solar ray optical propagation occurring in PV blinds, glazing cover and massive wall is analyzed and then the optical model of the Trombe wall module under the direct and diffuse solar radiation is built. Secondly, the characteristics of phase change heat transfer in the micro-channel and air flow in the air gap are described, then the coupling relationship and mutual influence of the optical model, PV output characteristic, thermal output characteristic and air flow characteristic are further investigated as well as the influence of the novel Trombe wall on the interior space thermal environment. Finally, based on the prediction of annual system performance, the investigation of the building energy savings and the evaluation of the project economics, a low-cost and reliable MPCHSPV-TW system can be achieved. Therefore, the obtained MPCHSPV-TW system has high efficiency in terms of spacing heating and electricity output and simultaneously can improve thermal comfort. Overall, this project gives a valuable exploration for the application of the PCM and PV/T into building energy savings, and has important academic research and engineering application value.

针对传统被动式Trombe墙系统存在冬季热损大、夏季易过热及功能单一等问题，本项目提出一种基于微通道强化换热的相变蓄热式PV-Trombe墙系统（MPCHSPV-TW）。项目拟通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法：（1）明确太阳光线在模块内的光学传播过程，以建立系统在直射和散射辐射情况下的光学性能计算模型；（2）分析微通道板相变传热及空气流动特性，建立系统光学性能、光电-光热转换以及空气流动的动态耦合数学模型，揭示系统对建筑室内热环境的影响机理；（3）通过对系统全年综合性能、对建筑能耗影响及经济性等问题的分析，获得低成本且性能可靠的MPCHSPV-TW系统。最终，实现太阳能高效采暖与发电的同时，改善室内的热舒适性。该项目为拓展相变储能、太阳能光伏光热技术在建筑节能中的开发利用做出有价值探索，具有重要科学研究和工程应用价值。

Trombe墙是一种典型的太阳能热利用技术，该系统因造价低廉、无需维护以及易与建筑立面相结合等优点而得到一定的推广和应用。相关研究得出，Trombe墙的使用可以减少建筑采暖能耗高达30%。但随着越来越多的Trombe墙投入应用，诸多问题显现出来。本项目将相变储能PCM、光伏发电PV及百叶遮阳blinds引入传统Trombe墙系统中，形成一种百叶型光伏相变Trombe墙（PV- PCM-Trombe墙）复合系统，该系统综合了PCM、PV及blinds的优点，将PCM集成与光伏百叶帘片中，既可以控制光伏电池的温度又能够解决百叶型Trombe墙房间高度方向温度梯度大的问题，热量蓄调和削峰填谷，改善室内热舒适性。.一方面，项目通过理论与实验验证了微通道封装PCM的可行性及在改善其导热系数和泄漏方面的优势，且通过PCM热管理可以提高PV光电转换性能。另一方面，完成了百叶型光伏相变Trombe 墙系统理论模型的建立并针对类似结构的百叶水帘Trombe墙系统（WBTW）进行了初步的理论与实验研究。实验研究得出微通道百叶水帘的使用有效降低集热墙背板温度，多功能集热墙背板温度相比于传统集热墙背板温度，降低百分比最大达到24.41%，解决集热墙过热问题，且水箱中的整体水温最高达到46.80 ℃，可以满足生活热水需求。理论研究得出，在冬季，WBTW系统的平均传热系数为0.8 W/m2·K，而TW和CW系统的平均传热系数分别为1.4 W/m2·K和1.5 W/m2·K，WBTW系统具有较好的保温性能。此外，全年TW系统比CW系统减少了13.6%的总热负荷，年收集能量为20.3kWh，而WBTW系统的年收集能量为435.7 kWh，减少了42.6%。.研究结果证明百叶水墙利用了微通道高效换热优点，不仅改善了传统Trombe墙夏季过热及冬季热损大的不足还充分利用了太阳能在夏季及过渡季生产热水，该研究为PV- PCM-Trombe墙的深入研究奠定良好基础，所建立的理论模型能够预测类似特殊结构的Trombe墙在不同地区的长期运行性能，对Trombe墙的实际推广应用有着一定的指导意义，也可为其他学者在相关研究方面提供参考价值。