與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的實驗和理論研究.pdf

1、在社會能源總消耗中，建筑耗能約占30～40％。其中，建筑采暖、制冷、熱水耗能約占整個建筑耗能達40％，因此，建筑采暖、制冷、熱水供應中的能源利用方式和能源利用效率，直接影響到我國能源的總體利用情況。太陽能因為其可再生以及對環(huán)境友好的優(yōu)點，是重要的化石能源替代物，在建筑中大力推廣應用太陽能利用技術(shù)將是規(guī)模化發(fā)展可再生能源、降低建筑能耗中常規(guī)能源比例的重要途徑。當前，在建筑中應用的太陽能利用技術(shù)中，太陽能制熱水和太陽能采暖是兩種較為普遍的應

2、用形式。
　　 在太陽能采暖應用中，有幾種比較典型的系統(tǒng)如Trombe墻系統(tǒng)、對Trombe墻系統(tǒng)進行改進的復合Trombe墻系統(tǒng)、解決傳統(tǒng)Trombe墻功能單一等問題而提出的新型光伏Trombe墻系統(tǒng)以及采用金屬板作為吸熱板的Barra-Costantini系統(tǒng)等。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)既有主動系統(tǒng)也有被動系統(tǒng)，都只是基于實現(xiàn)冬季太陽能采暖功能所進行的設計，在冬季，也確實能實現(xiàn)很好的太陽能建筑采暖目的，但由于都未考慮非建筑采暖期太陽能利

3、用的問題，導致這類傳統(tǒng)系統(tǒng)存在只適合于冬季應用，在全年其他時期無法實現(xiàn)太陽能的有效利用。因此，傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)存在適合地域少、全年利用時間短的缺點。此外，從已有研究來看，目前傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)特別是被動采暖系統(tǒng)常會導致建筑夏季過熱問題。如Trombe墻系統(tǒng)、Barra-Costantini系統(tǒng)在夏季都只是以朝室外開風口方式使熱量向室外排放，但由于玻璃蓋板的溫室作用，朝室外開風口方式也只能在一定程度上緩解問題，仍不能避免建筑過熱問題。而

4、且，在實際使用中，用戶，特別是高層建筑住戶，進行開啟/密閉朝室外的兩個風口的操作很不方便，也制約了用戶采用該類系統(tǒng)的積極性。
　　 為解決這些問題，我們提出了一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)。該新型系統(tǒng)帶有一種特別設計的新型集熱模塊——與建筑一體化太陽能雙效集熱器模塊，具有兩種獨立功能：一是在冬季時采用被動采暖工作模式運行以給建筑供暖，二是在建筑無需供暖時期采用集熱水工作模式運行以制熱水。該設計概念可以使系統(tǒng)全年的利用

5、率得到大大提高，經(jīng)濟性更好；另外，從結(jié)構(gòu)上講，該新型系統(tǒng)比太陽能熱水墻多一與建筑室內(nèi)房間相連的風口結(jié)構(gòu)，比常用被動采暖系統(tǒng)少一夏季用于朝室外環(huán)境開啟的風口結(jié)構(gòu)，減少的風口結(jié)構(gòu)將使避免傳統(tǒng)被動采暖系統(tǒng)需要在室外操作朝室外的兩個風口所造成的用戶使用不方便的問題。
　　 設計并加工得到了與建筑一體化太陽能雙效集熱器模塊，并以此在熱箱實驗平臺上搭建了系統(tǒng)實驗臺。根據(jù)系統(tǒng)的概念特點，對實驗系統(tǒng)的兩種工作模式——以自然循環(huán)方式工作的集熱水工

6、作模式和被動采暖工作模式的性能進行了測試和分析。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的兩種工作模式，在其相應的工作時期都能有效利用太陽能。此外，研究結(jié)果還表明，系統(tǒng)表現(xiàn)出一些與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同的熱特性。如系統(tǒng)在夏季時所加熱水的太陽得熱比春季時明顯要低，而得到的熱水終溫春夏季節(jié)相近。而在被動采暖工作模式時，系統(tǒng)的白天期間系統(tǒng)房間內(nèi)空氣溫度分層現(xiàn)象與投射在集熱器集熱面上的太陽輻照強度兩者間存在數(shù)學上的線性關系。
　　 針對與建筑一體化太陽能雙效集熱器實驗

7、系統(tǒng)的兩種工作模式，本文分別建立了其各自的與建筑耦合傳熱計算模型，并進行了實驗驗證。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比顯示，采用所建立的關于集熱水工作模式的系統(tǒng)理論模型模擬計算系統(tǒng)集熱水效率與實驗結(jié)果的相對絕對誤差最大僅為2.6％，而且模擬計算得到的房間空氣溫度的RMSD僅為0.4℃。因此，可以得到，關于系統(tǒng)以自然循環(huán)工作方式工作在集熱水工作模式下所建立的理論模型準確，可以用來模擬預測系統(tǒng)在該方式下工作時的性能情況。關于系統(tǒng)被動采暖工作模式所建立的

8、理論模型模擬計算同樣能得到較準確的結(jié)果，但相比關于集熱水工作模式下所建立的理論模型，其計算誤差要約高些。綜合來看，關于系統(tǒng)兩種工作模式所建立的集熱器模塊與建筑耦合的系統(tǒng)傳熱計算模型都得到實驗結(jié)果的驗證，模型準確可靠。
　　 通過驗證的理論模型模擬計算，對比了實驗用黑鎳選擇性涂層與普通黑漆涂料對系統(tǒng)房間空氣溫度的影響情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)采用黑鎳選擇性吸收涂層可以極大地提高系統(tǒng)集熱性能，利于建筑房間獲得更多的太陽得熱。模擬研究還表明

9、，不同特性的黑鎳選擇性涂層對系統(tǒng)性能的影響情況為：當涂層吸收率相同時，系統(tǒng)房間空氣的期間平均溫度隨涂層發(fā)射率增大而線性降低；當涂層發(fā)射率相同時，系統(tǒng)房間空氣的期間平均溫度隨涂層吸收率增大而線性升高。
　　 在己建立的關于實驗系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱水工作模式下的理論模型的基礎上，將理論模型拓展至了將集熱器模塊安裝在帶窗結(jié)構(gòu)的房間的情況。以具有實際房間結(jié)構(gòu)和材料特點的虛擬房間為對象，分析了在夏秋季節(jié)系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱

10、水工作模式下的熱特性情況。研究結(jié)果得到，系統(tǒng)在夏季工作時可以在一定程度上降低房間的冷負荷(降低約2.05％)。這個結(jié)果說明，系統(tǒng)不會造成傳統(tǒng)被動采暖系統(tǒng)常遇到的夏季建筑過熱問題。但在秋季時，其熱特性情況會和夏季時有所區(qū)別。在秋季時，從全天來看，會造成房間冷負荷的上升，但同時降低房間的熱負荷?？傮w上，會增加建筑房間的負荷量。但由于秋季室外溫度低，房間的冷負荷需求可以通過與環(huán)境的自然通風實現(xiàn)，因此，仍然可以認為系統(tǒng)在秋季運行時對建筑的熱影響