與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、在社會(huì)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(gè)建筑耗能達(dá)40％，因此，建筑采暖、制冷、熱水供應(yīng)中的能源利用方式和能源利用效率，直接影響到我國(guó)能源的總體利用情況。太陽(yáng)能因?yàn)槠淇稍偕约皩?duì)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，是重要的化石能源替代物，在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能利用技術(shù)將是規(guī)?；l(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(dāng)前，在建筑中應(yīng)用的太陽(yáng)能利用技術(shù)中，太陽(yáng)能制熱水和太陽(yáng)能采暖是兩種較為普遍的應(yīng)

2、用形式。
　　 在太陽(yáng)能采暖應(yīng)用中，有幾種比較典型的系統(tǒng)如Trombe墻系統(tǒng)、對(duì)Trombe墻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的復(fù)合Trombe墻系統(tǒng)、解決傳統(tǒng)Trombe墻功能單一等問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)也有被動(dòng)系統(tǒng)，都只是基于實(shí)現(xiàn)冬季太陽(yáng)能采暖功能所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，在冬季，也確實(shí)能實(shí)現(xiàn)很好的太陽(yáng)能建筑采暖目的，但由于都未考慮非建筑采暖期太陽(yáng)能利

3、用的問(wèn)題，導(dǎo)致這類(lèi)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在只適合于冬季應(yīng)用，在全年其他時(shí)期無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的有效利用。因此，傳統(tǒng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)存在適合地域少、全年利用時(shí)間短的缺點(diǎn)。此外，從已有研究來(lái)看，目前傳統(tǒng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)特別是被動(dòng)采暖系統(tǒng)常會(huì)導(dǎo)致建筑夏季過(guò)熱問(wèn)題。如Trombe墻系統(tǒng)、Barra-Costantini系統(tǒng)在夏季都只是以朝室外開(kāi)風(fēng)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(kāi)風(fēng)口方式也只能在一定程度上緩解問(wèn)題，仍不能避免建筑過(guò)熱問(wèn)題。而

4、且，在實(shí)際使用中，用戶(hù)，特別是高層建筑住戶(hù)，進(jìn)行開(kāi)啟/密閉朝室外的兩個(gè)風(fēng)口的操作很不方便，也制約了用戶(hù)采用該類(lèi)系統(tǒng)的積極性。
　　 為解決這些問(wèn)題，我們提出了一種新型的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)。該新型系統(tǒng)帶有一種特別設(shè)計(jì)的新型集熱模塊——與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器模塊，具有兩種獨(dú)立功能：一是在冬季時(shí)采用被動(dòng)采暖工作模式運(yùn)行以給建筑供暖，二是在建筑無(wú)需供暖時(shí)期采用集熱水工作模式運(yùn)行以制熱水。該設(shè)計(jì)概念可以使系統(tǒng)全年的利用

5、率得到大大提高，經(jīng)濟(jì)性更好；另外，從結(jié)構(gòu)上講，該新型系統(tǒng)比太陽(yáng)能熱水墻多一與建筑室內(nèi)房間相連的風(fēng)口結(jié)構(gòu)，比常用被動(dòng)采暖系統(tǒng)少一夏季用于朝室外環(huán)境開(kāi)啟的風(fēng)口結(jié)構(gòu)，減少的風(fēng)口結(jié)構(gòu)將使避免傳統(tǒng)被動(dòng)采暖系統(tǒng)需要在室外操作朝室外的兩個(gè)風(fēng)口所造成的用戶(hù)使用不方便的問(wèn)題。
　　 設(shè)計(jì)并加工得到了與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器模塊，并以此在熱箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)的概念特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)采暖工作模式的性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的兩種工作模式，在其相應(yīng)的工作時(shí)期都能有效利用太陽(yáng)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(shí)所加熱水的太陽(yáng)得熱比春季時(shí)明顯要低，而得到的熱水終溫春夏季節(jié)相近。而在被動(dòng)采暖工作模式時(shí)，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(yáng)輻照強(qiáng)度兩者間存在數(shù)學(xué)上的線性關(guān)系。
　　 針對(duì)與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器實(shí)驗(yàn)

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(jì)算模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，采用所建立的關(guān)于集熱水工作模式的系統(tǒng)理論模型模擬計(jì)算系統(tǒng)集熱水效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)絕對(duì)誤差最大僅為2.6％，而且模擬計(jì)算得到的房間空氣溫度的RMSD僅為0.4℃。因此，可以得到，關(guān)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(zhǔn)確，可以用來(lái)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)在該方式下工作時(shí)的性能情況。關(guān)于系統(tǒng)被動(dòng)采暖工作模式所建立的

8、理論模型模擬計(jì)算同樣能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，但相比關(guān)于集熱水工作模式下所建立的理論模型，其計(jì)算誤差要約高些。綜合來(lái)看，關(guān)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(jì)算模型都得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，模型準(zhǔn)確可靠。
　　 通過(guò)驗(yàn)證的理論模型模擬計(jì)算，對(duì)比了實(shí)驗(yàn)用黑鎳選擇性涂層與普通黑漆涂料對(duì)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(yáng)得熱。模擬研究還表明

9、，不同特性的黑鎳選擇性涂層對(duì)系統(tǒng)性能的影響情況為：當(dāng)涂層吸收率相同時(shí)，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(dāng)涂層發(fā)射率相同時(shí)，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(guān)于實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(shí)際房間結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)的虛擬房間為對(duì)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(shí)可以在一定程度上降低房間的冷負(fù)荷(降低約2.05％)。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，系統(tǒng)不會(huì)造成傳統(tǒng)被動(dòng)采暖系統(tǒng)常遇到的夏季建筑過(guò)熱問(wèn)題。但在秋季時(shí)，其熱特性情況會(huì)和夏季時(shí)有所區(qū)別。在秋季時(shí)，從全天來(lái)看，會(huì)造成房間冷負(fù)荷的上升，但同時(shí)降低房間的熱負(fù)荷?？傮w上，會(huì)增加建筑房間的負(fù)荷量。但由于秋季室外溫度低，房間的冷負(fù)荷需求可以通過(guò)與環(huán)境的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)，因此，仍然可以認(rèn)為系統(tǒng)在秋季運(yùn)行時(shí)對(duì)建筑的熱影響