建筑一體化太陽能雙效集熱器被動采暖模式研究

1、<p>　　建筑一體化太陽能雙效集熱器被動采暖模式研究</p><p><b>　　嘉興學院</b></p><p>　　摘要：本文根據(jù)太陽能雙效集熱的特點和工作模式，對它的被動采暖模式進行了理論模擬并利用試驗數(shù)據(jù)進行了驗證，模擬結果和實驗結果對比顯示，關于系統(tǒng)被動采暖工作模式所建立的理論模型模擬計算能得到較準確的結果，模型準確可靠，為進一步的雙效集熱器優(yōu)化

2、制造提供良好的理論依據(jù)。</p><p>　　關鍵詞：太陽能雙效集熱器; 被動采暖</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　為了提高太陽能集熱器的全年使用效率，本文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器模塊——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

3、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。本文根據(jù)太陽能雙效集熱的特點和工作模式，對它的被動采暖模式進行了理論模擬并得到了優(yōu)化的結論，為雙效集熱器的制造提供良好的理論依據(jù)。</p><p>　　1 雙效集熱器工作原理介紹</p><p>　　由圖1.1所示，與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的結構組成主要包括：直接安裝附著在建筑南墻上

4、的與建筑一體太陽能雙效集熱器模塊、蓄熱水箱、水閥（2個）、連接水管（2根）、朝室內(nèi)上下風口以及風口處兩個可移矩形絕熱塊等。在春、夏、秋天時，太陽能雙效集熱器相當于一個普通的熱水器，而在冬天時雙效集熱器就變成一個空氣集熱器，為房間提供熱空氣。</p><p>　　圖1 與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)工作原理</p><p>　　2 雙效集熱器被動采暖模式理論計算模型</p&g

5、t;<p>　　2.1 被動采暖工作模式下集熱器模塊熱平衡方程</p><p>　　當系統(tǒng)工作在被動采暖模式下時，集熱器模塊的工作介質(zhì)是流道內(nèi)的空氣，這不同于集熱水模式下集熱器模塊的工作介質(zhì)是銅管中的水。集熱器模塊的玻璃蓋板的作用是透過太陽輻射以被吸熱體吸收，同時阻止吸熱體的熱輻射直射透過。吸熱體吸收的熱量通過兩種方式傳入室內(nèi)：通過熱傳導透過絕熱背板附著的墻體進入室內(nèi)和加熱流道內(nèi)空氣直接帶入房間內(nèi)。

6、因此，在被動采暖工作模式下，集熱器模塊的傳熱計算需涉及四個主要部分：玻璃蓋板、吸熱體、流道和絕熱背板。在本文中，絕熱背板是當作所附著的墻體的另一附加的材料層，因此絕熱背板的傳熱計算是當作墻體來計算</p><p>　　銅鋁復合吸熱板由若干組包含用于吸收太陽輻射的鋁板和作為集熱水模式下水管的銅管組成，由于本系統(tǒng)在被動采暖模式下銅管中并沒有介質(zhì)，而且鋁板和銅管導熱性能很好，故可以用一組鋁板和銅管的結合體代表吸熱板整體

7、，并可作其溫度分布沿高度方向的一維假設。此外，考慮到銅鋁復合吸熱板的銅管表面積很小，而未作處理的鋁板背面具有高反射率，銅鋁復合板背面有關的輻射換熱可以忽略?？傻茫鼰岚鍩崞胶夥匠虨椋?lt;/p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　其中ρp和ρt分別表示鋁板和銅管密度(kg/m３)；cp和ct分別表示鋁板和銅管熱容(J/kg)；λp and λt分別表

8、示鋁板和銅管導熱系數(shù)(W/m.K)；Td表示流道內(nèi)空氣在吸熱體節(jié)點所在位置處的溫度(K)；Tpt表示吸熱體節(jié)點溫度(K)；表示吸熱體平均溫度(K)；hpt,d表示吸熱體表面對流換熱系數(shù)(W/m2.K)；hr,pt,g表示吸熱體與玻璃蓋板的輻射換熱系數(shù)(W/m2.K)；Φ是定義的單根銅管與單片鋁板的面積之比，為：</p><p><b>　　(2)</b></p><p&g

9、t;　　其中Dt是銅管管徑(m)，wp是單片鋁板寬度(m)。</p><p>　　對于流道，參見文獻[1]，其溫度分布作沿高度方向的一維假設：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　其中ρa、Ca分別表示流道內(nèi)空氣的密度(kg/m３)、熱容(J/kg)；Dgap表示流道深度(m)；Tin表示處于流道內(nèi)的絕熱背板表面溫度

10、(K)；hg,d、hin,d分別表示玻璃蓋板表面和絕熱背板表面在流道內(nèi)的對流換熱系數(shù)(W/ m2.K)；Vd表示流道內(nèi)空氣流速(m/s)。</p><p>　　速度Vd通過下式求解[2]：</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　其中β表示熱擴散率(K-1)；g表示重力加速度(m/s-2)；H表示流道高度(m)；、Tr分

11、別表示流道內(nèi)空氣平均溫度、房間空氣溫度(K)；C1、C2是常量參數(shù)；Ag表示流道截面積(m2)；Av表示風口面積(m2)。</p><p><b>　　2.2 建筑房間</b></p><p>　　為了簡化，考慮與建筑結合的雙效集熱器所在的房間無窗戶結構，因此僅考慮圍護結構沿厚度方向的熱傳導，關于其圍護結構的熱傳導方程可表述為：</p><p&g

12、t;　　, (5)</p><p>　　其外表面的邊界條件為：</p><p>　　, (6)</p><p>　　特別地，對于南墻可表述為：</p><p>　　, (7)<

13、;/p><p>　　其內(nèi)表面的邊界條件是：</p><p>　　, (8)</p><p>　　其中表示邊界條件表述形式，αIsolar表示圍護結構外表面吸收的太陽輻照(W/m2)；Tindoor表示房間空氣溫度，特別地對于空調(diào)房間，它代表空調(diào)房間的控制溫度(K)；hc,o和hc,i分別表示圍護結構外表面和內(nèi)表面上的對流換熱系

14、數(shù)(W/m2.K)；N表示圍護結構數(shù)量；qj,i表示圍護結構i與圍護結構j之間的輻射換熱(W/m2)。</p><p>　　為了熱平衡方程離散方便，qj,i采用線性化表示為：</p><p>　　, (9)</p><p>　　其中hrj,i表示圍護結構i與圍護結構j內(nèi)表面之間的線性化的輻射換熱系數(shù)(W

15、/m2.K)，Ai表示圍護結構i的表面面積(m2)，Ti、Tj分別表示圍護結構i、j的內(nèi)表面溫度(K)。</p><p>　　考慮到室內(nèi)各表面間熱輻射換熱存在熱輻射被多次吸收反射等問題，求解hrj,i可采用[3]：</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　其中下標i、j和k分別代表對應圍護結構內(nèi)表面，A表示圍護結構表面

16、面積(m2)，ε表示圍護結構內(nèi)表面熱發(fā)射率，f 表示視角系數(shù)。</p><p>　　2.3 集熱器模塊與建筑耦合傳熱計算</p><p>　　由于集熱器模塊是直接安裝貼附在建筑南墻外表面上，集熱器模塊與其附著建筑南墻之間存在熱耦合問題，因此對于帶有集熱器模塊的建筑南墻的傳熱計算需要特殊考慮。為簡化處理，本文將集熱器模塊的絕熱背板看作為其相鄰南墻多加的一絕熱材料層，從而可將集熱器模塊的絕熱背

17、板和其相鄰南墻兩者統(tǒng)一看作成一復合墻體結構。因而，關于該復合墻體結構的熱傳導方程、內(nèi)表面的邊界條件都可以采用前已針對一般圍護結構所給出的方程，只需將其外表面的邊界條件作修改。分別針對系統(tǒng)在其兩種工作模式下的不同情況，分別給出該邊界條件的修改。對于系統(tǒng)工作在集熱水工作模式，該方程為：</p><p><b>　　(11)</b></p><p>　　而對于被動采暖工作模

18、式時，其為</p><p>　　. (12)</p><p><b>　　室內(nèi)空氣溫度</b></p><p>　　關于房間空氣的熱平衡關系式將先從系統(tǒng)在被動采暖工作模式下的情況給處。在被動采暖工作模式下，關于房間空氣的熱平衡方程，需要針對系統(tǒng)上下風口開啟和關閉兩種情況來討論。當系統(tǒng)上下風口關

19、閉時，為計算房間空氣溫度，可以整個房間作為一個節(jié)點建立其與所有建筑圍護結構的對流換熱關系?？傻茫?lt;/p><p><b>　　(13)</b></p><p>　　而當系統(tǒng)的上下風口開啟，房間空氣的熱交換量還需要加入流道空氣流道造成的熱交換量，即，</p><p><b>　　(14)</b></p><

20、;p>　　其中Vroom表示房間體積(m3)，Ai表示圍護結構i的面積(m2)，Tv表示系統(tǒng)上風口的空氣溫度(K)。</p><p>　　3 雙效集熱器被動采暖模式模擬和試驗驗證</p><p>　　應用如圖2所示的3天的環(huán)境溫度和投射到集熱器上的輻照強度對上述所建立的太陽能雙效集熱器理論模型進行了模擬并利用試驗結果進行了驗證。</p><p>　　圖2

21、關于被動采暖工作模式下系統(tǒng)實驗，連續(xù)3天期間外環(huán)境溫度和投射在集熱器集熱面上太陽輻照強度</p><p>　　圖3 上風口空氣溫度的模擬結果和實驗結果的對比曲線</p><p>　　圖4 房間空氣溫度的模擬結果和實驗結果的對比曲線</p><p>　　由圖3和圖4可知，理論模型與試驗數(shù)據(jù)吻合的非常好，說明所建立的理論模型可靠。</p><p>

22、;<b>　　4 結論</b></p><p>　　針對新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的被動采暖工作模式，本文建立了其與建筑耦合傳熱計算模型，并進行了實驗驗證。模擬結果和實驗結果對比顯示，關于系統(tǒng)被動采暖工作模式所建立的理論模型模擬計算能得到較準確的結果，模型準確可靠。</p><p><b>　　5 參考文獻</b></p>

23、;<p>　　Ji Jie, Yi Hua, He Wei, Pei Gang, Lu Jianping, Jiang Bin. Modeling of a novel Trombe wall with PV cells. Building and Environment, 2007, 42 (3):1544-1552. </p><p>　　[2] 陸劍平.復合光伏熱水一體化系統(tǒng)綜合性能研究.碩