新型的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)

1、一種新型的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究工程概況：一種新型的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種工作模式:被動(dòng)采暖工作模式和集熱水工作模式。由系統(tǒng)工作在被動(dòng)采暖工作模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到:系統(tǒng)房間內(nèi)空氣存在溫度分層現(xiàn)象，測(cè)試期間上下位置最大溫差為4.2，平均溫差約為2.7;系統(tǒng)在被動(dòng)采暖工作模式下工作時(shí)對(duì)房間溫度的提高作用明顯，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)房間平均溫度達(dá)到24.7 ，相對(duì)環(huán)境溫度升高平均達(dá)到19.9。通過(guò)系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱水工作模式下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可以得到實(shí)驗(yàn)期間在集熱水工作模式下系統(tǒng)的熱效率為52.8%，集熱器單位面積太陽(yáng)得熱為4.16M

2、J/。引言 太陽(yáng)能在建筑中的熱利用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有一定發(fā)展，其中太陽(yáng)能制熱水和太陽(yáng)能采暖是最為普遍的兩種應(yīng)用形式。太陽(yáng)能用于供暖的第一次大規(guī)模研究是1939年在麻省理工學(xué)院開(kāi)始的。從19391961年相繼建成了四幢小型建筑，每幢建筑都是部分由太陽(yáng)能供熱，系統(tǒng)需在不使用時(shí)放空集熱器以防水在其中凍結(jié)。之后提出多種太陽(yáng)能建筑供暖系統(tǒng)，如Trombe墻系統(tǒng)、改進(jìn)后的復(fù)合Trombe墻系統(tǒng)和新型光伏Tinmbe墻系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)Trombe墻功能單一等問(wèn)題而提出)等。這些系統(tǒng)的提出，推進(jìn)了在建筑中應(yīng)用太陽(yáng)能供暖技術(shù)的發(fā)展，但仍存在一些問(wèn)題有待完善。一般來(lái)說(shuō)，在冬季，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)可以很好地滿足建筑采暖需求

3、，但在建筑無(wú)需供暖的時(shí)期(特別是夏季)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)會(huì)造成系統(tǒng)全年使用率低，并影響系統(tǒng)使用的經(jīng)濟(jì)性，且易造成建筑過(guò)熱問(wèn)題。在太陽(yáng)能制熱水應(yīng)用方面，由于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)較成熟且成本較低的特點(diǎn)，成為太陽(yáng)能熱利用技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最為普通的技術(shù)，同時(shí)隨著太陽(yáng)能制熱水應(yīng)用的發(fā)展，傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)的一些局限性也逐漸顯現(xiàn):太陽(yáng)能熱水系在冬季寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，水溫過(guò)低甚至系統(tǒng)結(jié)凍會(huì)造成系統(tǒng)無(wú)法有效使用;傳統(tǒng)安裝方式將系統(tǒng)安裝于建筑屋頂，安裝不美觀則影響建筑美觀甚至城市整體形象，而且高層建筑屋頂面積無(wú)法滿足需求等。因此為對(duì)太陽(yáng)能制熱水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了太陽(yáng)能熱水墻的概念，該系統(tǒng)的提出可以解決傳

4、統(tǒng)系統(tǒng)安裝于建筑屋頂而遇到的屋頂面積不足的問(wèn)題，并且安裝方式的改進(jìn)，使系統(tǒng)更美觀，但對(duì)于熱水系統(tǒng)在冬季使用時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題未得到根本解決。 為解決以上問(wèn)題，本文提出了與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種工作模式:被動(dòng)采暖工作模式和集熱水工作模式。在全年建筑需供暖的時(shí)期(如冬季)，系統(tǒng)以被動(dòng)采暖工作模式運(yùn)行為室內(nèi)房間供暖，在全年其他時(shí)期特別是夏季，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成集熱水工作模式以提供生活用熱水。該系統(tǒng)可以避免單獨(dú)應(yīng)用太陽(yáng)能被動(dòng)采暖系統(tǒng)在夏季易造成的建筑過(guò)熱而制約其推廣應(yīng)用的問(wèn)題，而且還可以有效利用太陽(yáng)能提供生活熱水。 為對(duì)該新型系統(tǒng)進(jìn)行研究，本文以熱箱為基礎(chǔ)，建立了與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器

5、系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，并針對(duì)系統(tǒng)兩種工作模式分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。1與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)驗(yàn)裝置與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器模塊是本系統(tǒng)的核心部件，該模塊是在普通平板集熱器的原理基礎(chǔ)上改造而成，其區(qū)別于普通平板集熱器的特點(diǎn)是雙效集熱器里有一個(gè)特別加寬的空氣間隙空間，并且集熱器背面上下位置開(kāi)有兩個(gè)矩形的開(kāi)口，如圖1所示為了對(duì)與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)進(jìn)行研究，本文在熱箱基礎(chǔ)上搭建了該新型系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。如圖2、圖3所示，該平臺(tái)包括熱箱房間、與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器模塊、上下風(fēng)口、蓄熱水箱、閥門(mén)和管路等。熱箱房間除南墻與外環(huán)境接觸外，其他5面墻體處在一大房間內(nèi)而與外環(huán)

6、境隔離。墻體為輕質(zhì)保溫墻體。房間尺寸南北寬2.90m、東西長(zhǎng)2.97m、高2.60m。模塊結(jié)構(gòu)尺寸為高1.945m x寬0.945m，空氣層厚度為0.16m。為增強(qiáng)模塊的集熱性能，模塊的銅鋁復(fù)合吸熱板表面覆蓋有選擇性吸收涂層(涂層吸收率0.95，發(fā)射率0.15)。 系統(tǒng)的工作原理是:在被動(dòng)采暖工作模式下，閥門(mén)關(guān)閉，系統(tǒng)的上下風(fēng)口開(kāi)啟，從而使建筑房間與集熱器相通，集熱器特別設(shè)計(jì)的加寬的空氣間隙層成為通風(fēng)流道，流道內(nèi)空氣在集熱器加熱而造成的熱虹吸作用下自下而上流動(dòng)，從而向建筑室內(nèi)供暖;在集熱水工作模式下，系統(tǒng)上下風(fēng)口關(guān)閉，閥門(mén)開(kāi)啟，蓄熱水箱中的水通過(guò)管路與集熱器的水管相通，系統(tǒng)以自然循環(huán)工作方式使

7、用而提供生活用熱水。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)在系統(tǒng)主要位置布置有銅一康銅熱電偶以測(cè)量相關(guān)位置溫度，主要位置包括上風(fēng)口中央位置、熱箱房間的上中下3個(gè)高度位置、蓄熱水箱中的上中下3個(gè)位置。測(cè)量系統(tǒng)還包括測(cè)量環(huán)境溫度，并通過(guò)IBQ-2總輻射儀測(cè)量南向豎直面的總輻照強(qiáng)度。所有溫度數(shù)據(jù)和輻照數(shù)據(jù)通過(guò)Agileng34970A數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集。另外，對(duì)于集熱水工作模式下的實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)稱量實(shí)驗(yàn)水量。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析2.1被動(dòng)采暖工作模式 為進(jìn)行與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器在被動(dòng)采暖工作模式下的性能研究，在2008年1月2日進(jìn)行了8h的連續(xù)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間段9:00一17:00。圖4給出了實(shí)驗(yàn)期間房間空氣溫度隨

8、時(shí)間的變化曲線。房間空氣溫度的測(cè)試結(jié)果顯示:實(shí)驗(yàn)期間房間空氣上中下3個(gè)位置的溫度存在明顯差異，表現(xiàn)為上部空氣溫度最高而下部空氣溫度最低，說(shuō)明系統(tǒng)房間空氣存在明顯的溫度分層現(xiàn)象;對(duì)比上中下3個(gè)位置的房間空氣溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)這3個(gè)位置的空氣溫度具有一致的變化趨勢(shì)，都是先逐漸升高后逐漸降低，并且各個(gè)位置的溫度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在約14:16，因此，可以將在某時(shí)刻的這3個(gè)位置的空氣溫度的平均值用來(lái)代表該時(shí)刻的整體房間空氣溫度，即圖4的整體房間空氣溫度變化曲線;以上中下3個(gè)位置的空氣溫度的平均值來(lái)代表房間整體空氣溫度，可以得到測(cè)試期間房間空氣平均溫度為24.7。圖5給出了整體房間空氣溫度和環(huán)境溫度的對(duì)比

9、變化曲線以及房間空氣相對(duì)環(huán)境的溫升變化曲線。由環(huán)境溫度變化曲線可知，由于是在冬季，外環(huán)境溫度很低，其范圍在1.4一6.7內(nèi)，其平均值約為4.8。由房間空氣相對(duì)環(huán)境的溫升變化曲線，可以得到房間空氣相對(duì)環(huán)境的溫升范圍為4.5一26.8 ,期間平均溫升達(dá)到19.9。結(jié)果表明，在工作于被動(dòng)采暖工作模式下的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)的作用下，房間空氣溫度得到很大提升。圖6為房間空氣上部測(cè)點(diǎn)和下部測(cè)點(diǎn)的溫差與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線。由圖可知，期間房間上部測(cè)點(diǎn)與下部測(cè)點(diǎn)的最大溫差約為4.2，平均溫差約為2.7。此外，對(duì)比溫差曲線和太陽(yáng)輻照強(qiáng)度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)溫差曲線的變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度

10、曲線的變化趨勢(shì)具有很強(qiáng)的一致性。 圖7給出了上風(fēng)口空氣溫度與房間空氣平均溫度的對(duì)比曲線。由圖可知，上風(fēng)口空氣溫度最高達(dá)到54.8。上風(fēng)口空氣溫度的變化趨勢(shì)同樣出現(xiàn)了先升后降的現(xiàn)象，但可以看出，房間空氣平均溫度變化與其相比存在一定滯后。在測(cè)量期間，上風(fēng)口空氣溫度均高于房間空氣溫度，因?yàn)樯巷L(fēng)口空氣升溫可認(rèn)為是從下風(fēng)口進(jìn)人房間的空氣被集熱器加熱后的結(jié)果，這表示盡管如前所示，房間空氣溫度在實(shí)驗(yàn)期間出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，但并不表明從開(kāi)始降低的時(shí)間起，集熱器對(duì)房間供熱作用失去，相反這段期間集熱器仍在為房間進(jìn)行供暖。測(cè)量終止時(shí)，兩者溫度已接近，這說(shuō)明上下風(fēng)口應(yīng)從此時(shí)開(kāi)始關(guān)閉。2.2集熱水工作模式為進(jìn)行與建筑一

11、體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)在集熱水工作模式下的性能研究，在2008年4月25日進(jìn)行了8h的連續(xù)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間段與被動(dòng)采暖工作模式不同，為8:00- 16:00。圖8給出了測(cè)量期間的環(huán)境溫度和輻照強(qiáng)度的變化曲線。平均環(huán)境溫度為25.2，平均輻照強(qiáng)度為273.3W/耐。測(cè)量結(jié)束時(shí)，水量稱重為98.3kg。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，系統(tǒng)以自然循環(huán)方式運(yùn)行。圖9所示為蓄熱水箱中水溫測(cè)量曲線。測(cè)試結(jié)果顯示，水箱中上部和下部的最大溫差約為3.3，平均溫差約為2.2。這說(shuō)明蓄熱水箱中的水也存在一定的溫度分層現(xiàn)象。依據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)熱水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)期間蓄熱水箱中水的平均初始溫度為19.8，平均終溫為38.4，可以得到

12、在實(shí)驗(yàn)期間與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)在集熱水工作模式下的集熱效率為52.8%，太陽(yáng)得熱量為7.64MJ，集熱器單位面積的太陽(yáng)得熱為4.16MJ/。3結(jié)論通過(guò)利用熱箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文提出的新型的與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，得到以下結(jié)論: 1)與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)具有兩種功能:在冬季為室內(nèi)提供采暖和在其他季節(jié)用于提供生活熱水，避免了兩種系統(tǒng)在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)所面臨的問(wèn)題，同時(shí)有效利用了太陽(yáng)能; 2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)工作在被動(dòng)采暖工作模式下時(shí)，系統(tǒng)房間內(nèi)空氣存在溫度分層現(xiàn)象，表現(xiàn)為房間上部空氣溫度高，下部空氣溫度低，測(cè)試期間上下位置最大溫差為4.2，平均溫差約為2.7; 3)系統(tǒng)以被動(dòng)采暖工作模式運(yùn)行時(shí)，與建筑一體化太陽(yáng)能雙效集熱器系統(tǒng)在被動(dòng)采暖工作模式下工作時(shí)對(duì)房間溫度的提高作用明顯。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間9:00一17:00，系統(tǒng)房間期間平均溫度達(dá)到24.7，而