新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统.docx

一种新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统的实验研究工程概况：一种新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统，该系统有两种工作模式:被动采暖工作模式和集热水工作模式。由系统工作在被动采暖工作模式下的实验结果可以得到:系统房间内空气存在温度分层现象，测试期间上下位置最大温差为4.2，平均温差约为2.7;系统在被动采暖工作模式下工作时对房间温度的提高作用明显，实验测试结果显示，实验期间系统房间平均温度达到24.7 ，相对环境温度升高平均达到19.9。通过系统以自然循环方式工作在集热水工作模式下的实验测试结果，可以得到实验期间在集热水工作模式下系统的热效率为52.8%，集热器单位面积太阳得热为4.16MJ/。引言 太阳能在建筑中的热利用技术在国内外已有一定发展，其中太阳能制热水和太阳能采暖是最为普遍的两种应用形式。太阳能用于供暖的第一次大规模研究是1939年在麻省理工学院开始的。从19391961年相继建成了四幢小型建筑，每幢建筑都是部分由太阳能供热，系统需在不使用时放空集热器以防水在其中冻结。之后提出多种太阳能建筑供暖系统，如Trombe墙系统、改进后的复合Trombe墙系统和新型光伏'Tinmbe墙系统为解决传统Trombe墙功能单一等问题而提出)等。这些系统的提出，推进了在建筑中应用太阳能供暖技术的发展，但仍存在一些问题有待完善。一般来说，在冬季，太阳能供暖系统可以很好地满足建筑采暖需求，但在建筑无需供暖的时期(特别是夏季)，太阳能供暖系统会造成系统全年使用率低，并影响系统使用的经济性，且易造成建筑过热问题。在太阳能制热水应用方面，由于太阳能热水系统具有相对简单、技术较成熟且成本较低的特点，成为太阳能热利用技术中发展最快、应用最为普通的技术，同时随着太阳能制热水应用的发展，传统热水系统的一些局限性也逐渐显现:太阳能热水系在冬季寒冷地区应用时，水温过低甚至系统结冻会造成系统无法有效使用;传统安装方式将系统安装于建筑屋顶，安装不美观则影响建筑美观甚至城市整体形象，而且高层建筑屋顶面积无法满足需求等。因此为对太阳能制热水系统进行改进，提出了太阳能热水墙的概念，该系统的提出可以解决传统系统安装于建筑屋顶而遇到的屋顶面积不足的问题，并且安装方式的改进，使系统更美观，但对于热水系统在冬季使用时所出现的问题未得到根本解决。 为解决以上问题，本文提出了与建筑一体化太阳能双效集热器系统，该系统有两种工作模式:被动采暖工作模式和集热水工作模式。在全年建筑需供暖的时期(如冬季)，系统以被动采暖工作模式运行为室内房间供暖，在全年其他时期特别是夏季，系统转换成集热水工作模式以提供生活用热水。该系统可以避免单独应用太阳能被动采暖系统在夏季易造成的建筑过热而制约其推广应用的问题，而且还可以有效利用太阳能提供生活热水。 为对该新型系统进行研究，本文以热箱为基础，建立了与建筑一体化太阳能双效集热器系统的测试平台，并针对系统两种工作模式分别进行了实验测试和分析。1与建筑一体化太阳能双效集热器系统构成及实验装置与建筑一体化太阳能双效集热器模块是本系统的核心部件，该模块是在普通平板集热器的原理基础上改造而成，其区别于普通平板集热器的特点是双效集热器里有一个特别加宽的空气间隙空间，并且集热器背面上下位置开有两个矩形的开口，如图1所示为了对与建筑一体化太阳能双效集热器系统进行研究，本文在热箱基础上搭建了该新型系统的实验测试平台。如图2、图3所示，该平台包括热箱房间、与建筑一体化太阳能双效集热器模块、上下风口、蓄热水箱、阀门和管路等。热箱房间除南墙与外环境接触外，其他5面墙体处在一大房间内而与外环境隔离。墙体为轻质保温墙体。房间尺寸南北宽2.90m、东西长2.97m、高2.60m。模块结构尺寸为高1.945m x宽0.945m，空气层厚度为0.16m。为增强模块的集热性能，模块的铜铝复合吸热板表面覆盖有选择性吸收涂层(涂层吸收率0.95，发射率0.15)。 系统的工作原理是:在被动采暖工作模式下，阀门关闭，系统的上下风口开启，从而使建筑房间与集热器相通，集热器特别设计的加宽的空气间隙层成为通风流道，流道内空气在集热器加热而造成的热虹吸作用下自下而上流动，从而向建筑室内供暖;在集热水工作模式下，系统上下风口关闭，阀门开启，蓄热水箱中的水通过管路与集热器的水管相通，系统以自然循环工作方式使用而提供生活用热水。 实验测量系统在系统主要位置布置有铜一康铜热电偶以测量相关位置温度，主要位置包括上风口中央位置、热箱房间的上中下3个高度位置、蓄热水箱中的上中下3个位置。测量系统还包括测量环境温度，并通过'IBQ-2总辐射仪测量南向竖直面的总辐照强度。所有温度数据和辐照数据通过Agileng34970A数据采集仪实时采集。另外，对于集热水工作模式下的实验，每次实验结束时称量实验水量。2实验结果和分析2.1被动采暖工作模式 为进行与建筑一体化太阳能双效集热器在被动采暖工作模式下的性能研究，在2008年1月2日进行了8h的连续测量，测量时间段9:00一17:00。图4给出了实验期间房间空气温度随时间的变化曲线。房间空气温度的测试结果显示:实验期间房间空气上中下3个位置的温度存在明显差异，表现为上部空气温度最高而下部空气温度最低，说明系统房间空气存在明显的温度分层现象;对比上中下3个位置的房间空气温度变化曲线，可以发现这3个位置的空气温度具有一致的变化趋势，都是先逐渐升高后逐渐降低，并且各个位置的温度最高点都出现在约14:16，因此，可以将在某时刻的这3个位置的空气温度的平均值用来代表该时刻的整体房间空气温度，即图4的整体房间空气温度变化曲线;以上中下3个位置的空气温度的平均值来代表房间整体空气温度，可以得到测试期间房间空气平均温度为24.7。 图5给出了整体房间空气温度和环境温度的对比变化曲线以及房间空气相对环境的温升变化曲线。由环境温度变化曲线可知，由于是在冬季，外环境温度很低，其范围在1.4一6.7内，其平均值约为4.8。由房间空气相对环境的温升变化曲线，可以得到房间空气相对环境的温升范围为4.5一26.8 ,期间平均温升达到19.9。结果表明，在工作于被动采暖工作模式下的与建筑一体化太阳能双效集热器系统的作用下，房间空气温度得到很大提升。图6为房间空气上部测点和下部测点的温差与太阳辐照强度随时间变化的对比曲线。由图可知，期间房间上部测点与下部测点的最大温差约为4.2，平均温差约为2.7。此外，对比温差曲线和太阳辐照强度变化曲线，可以发现温差曲线的变化趋势与太阳辐照强度曲线的变化趋势具有很强的一致性。 图7给出了上风口空气温度与房间空气平均温度的对比曲线。由图可知，上风口空气温度最高达到54.8。上风口空气温度的变化趋势同样出现了先升后降的现象，但可以看出，房间空气平均温度变化与其相比存在一定滞后。在测量期间，上风口空气温度均高于房间空气温度，因为上风口空气升温可认为是从下风口进人房间的空气被集热器加热后的结果，这表示尽管如前所示，房间空气温度在实验期间出现先升后降的现象，但并不表明从开始降低的时间起，集热器对房间供热作用失去，相反这段期间集热器仍在为房间进行供暖。测量终止时，两者温度已接近，这说明上下风口应从此时开始关闭。2.2集热水工作模式为进行与建筑一体化太阳能双效集热器系统在集热水工作模式下的性能研究，在2008年4月25日进行了8h的连续测量，测量时间段与被动采暖工作模式不同，为8:00- 16:00。图8给出了测量期间的 环境温度和辐照强度的变化曲线。平均环境温度为25.2，平均辐照强度为273.3W/耐。测量结束时，水量称重为98.3kg。整个实验期间，系统以自然循环方式运行。图9所示为蓄热水箱中水温测量曲线。测试结果显示，水箱中上部和下部的最大温差约为3.3，平均温差约为2.2。这说明蓄热水箱中的水也存在一定的温度分层现象。依据文献中对热水系统的评价方法，根据实验期间蓄热水箱中水的平均初始温度为19.8，平均终温为38.4，可以得到在实验期间与建筑一体化太阳能双效集热器系统在集热水工作模式下的集热效率为52.8%，太阳得热量为7.64MJ，集热器单位面积的太阳得热为4.16MJ/。3结论 通过利用热箱实验平台，对本文提出的新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统进行实验测试和分析，得到以下结论: 1)与建筑一体化太阳能双效集热器系统具有两种功能:在冬季为室内提供采暖和在其他季节用于提供生活热水，避免了两种系统在单独应用时所面临的问题，同时有效利用了太阳能; 2)实验测试结果显示，系统工作在被动采暖工作模式下时，系统房间内空气存在温度分层现象，表现为房间上部空气温度高，下部空气温度低，测试期间上下位置最大温差为4.2，平均温差约为2.7; 3)系统以被动采暖工作模式运行时，与建筑一体化太阳能双效集热器系统在被动采暖工作模式下工作时对房间温度的提高作用明显。实验测试结果显示，在实验测试期间9:00一17:00，系统房间期间平均温度达到24.7，而外环境期间平均温度仅为4.8 ,系统房间空气温度相对环境温度升高平均达到19.9; 4)由系统在无需供暖时期以自然循环方式工作在集热水工作模式下的实验结果可以得到，系统集热水箱中水温同样存在温度分层现象，测试结果显示，水箱中上部和下部的最大温差约为3.3，平均温差约为2.2;在测试期间，系统水温从19.8升至38.4，系统的集热效率为52.8%，集热器单位面积的太阳得热为4.16MJ/。