太陽能空氣集熱器應(yīng)用于建筑供暖的研究

1、資源開發(fā)《西藏科技))2oos年2期(總第179期)太陽能空氣集熱器應(yīng)用于建筑供暖的研究洪亮多吉王海江李金祥王守彪旦增羅布(西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏拉薩850000)摘要：本文從國內(nèi)外太陽能空氣集熱器的研究、技術(shù)水平和應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合自身對太陽能空氣集熱器的研究所取得的階段成果，分析此種集熱器應(yīng)用于西藏地區(qū)建筑供暖的可行性，并對所需要進(jìn)一步開展的研究以及方法、未來市場前景進(jìn)行了技術(shù)描述。關(guān)鍵詞：太陽能空氣集熱器建筑供暖研究中圖分類

2、號：TK51351研究背景11國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及預(yù)期分析目前，太陽能在建筑供暖中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)和產(chǎn)品主要有被動太陽房技術(shù)和太陽能熱水器。被動太陽房構(gòu)造簡單、造價低廉，但建筑陰面(北墻)無法實現(xiàn)采暖，尤其對于大進(jìn)深建筑如教室、寫字樓、會議室和商場尤為如此。解決這一難題的方法多采用太陽能集中供暖系統(tǒng)，集熱器以水為工質(zhì)的真空管、熱管式真空管和平板集熱器為主，普遍存在抗凍性能差、防水垢和管路防銹蝕難度大等特點(diǎn)，且真空管

3、一旦破裂將導(dǎo)致大量熱水損失，系統(tǒng)操作要求高、維護(hù)難度大，可靠性低。建于希臘雅典的歐洲公共法律中心利用太陽能和地?zé)釣榻ㄖ┡c制冷，展現(xiàn)了卓越的能源利用效率。其特點(diǎn)為：地?zé)崂蒙?，供暖與制冷分為兩個管路布置于建筑中，其中一臺熱泵主要給教室、會堂和地板供給冷(熱)源，為空氣系統(tǒng)；另一臺熱泵主要供給圖書館、辦公室和賓館，為水系統(tǒng)。由于采用熱泵，導(dǎo)致采暖建造成本大幅攀升，達(dá)80歐元／m，且仍然存在防凍、防水垢和管路防銹蝕難度大等難題。類似的太陽

4、能空調(diào)系統(tǒng)上海交通大學(xué)于2004年在該校也建設(shè)了一座，均存在同樣問題。美國洛杉磯道格拉斯太陽能公司于1997年開發(fā)出了平板式太陽能空氣集熱器，并應(yīng)用于房屋采暖，系統(tǒng)簡單可靠，但基于歸一化溫差的瞬時效率斜率較大，應(yīng)用在建筑采暖中表現(xiàn)出較大的日采暖溫差，滿足人體舒適性差。加上空氣流道保溫不足，截距效率僅能達(dá)到42％。1983年Window研究了內(nèi)插管式提熱系統(tǒng)；1980年美國俄亥俄州哥倫布市，國際薄板金屬工作者協(xié)會屋頂，安裝了由144支真空

5、管組成的太陽空36氣集熱器系統(tǒng)，為該樓提供采暖、空調(diào)及生活熱水；澳大利亞墨爾本市RNMorse研制真空管太陽蒸汽系統(tǒng)；天津大學(xué)毛潤治分別對拉網(wǎng)單層蓋板、拉網(wǎng)雙層蓋板和平板三種空氣流沖刷蓋板的太陽能空氣集熱器的熱性能與空氣流量率的關(guān)系進(jìn)行了實驗研究；華僑大學(xué)林金清分別對空氣集熱器I、Ⅱ型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計算；中科院王志峰對全玻璃真空管太陽能空氣集熱器熱性能實驗方法進(jìn)行研究，并對集熱器的時間常數(shù)、熱延遲常數(shù)、入射系數(shù)修正因子及瞬時熱效率進(jìn)

6、行初步實驗研究。國際上太陽能空氣集熱器只有研究標(biāo)準(zhǔn)，最具權(quán)威的是ASHRASE93—1986(美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會關(guān)于太陽能集熱器測試標(biāo)準(zhǔn))和ISO9806—2(歐洲質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)之太陽能熱工測量標(biāo)準(zhǔn))，本課題已獲得得前期研究成果和今后開展的研究方法均遵循ASHRASE93—1986標(biāo)準(zhǔn)。12前期研究成果西藏能源研究示范中心與中科院電工所一皇明太陽能聯(lián)合實驗室，借助承擔(dān)國家十一五支撐計劃項目《新型節(jié)能建筑的研究》子課題《太陽能中高溫空氣

7、集熱器測試臺》，就全玻璃真空管太陽能空氣集熱器開展了兩年的研究，取得的成果有：121獲得太陽能空氣集熱器效率方程q∞O5045O4札0503O25020l50iO∞O維普資訊資源開發(fā)《西藏科技))2008年2期(總第179期)需求分析：西藏現(xiàn)有商場、教學(xué)樓、辦公樓等公共建筑大部分沒有實現(xiàn)冬季供暖，少數(shù)已有的供暖設(shè)施以電鍋爐、燃油鍋爐供暖為主，系統(tǒng)COP值一般在3～45，系統(tǒng)能耗較高，將使常規(guī)能源本已不足的西藏更將不堪重負(fù)，加上一個采暖季

8、運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)60～80元／m，大部分用戶將難于承擔(dān)。本項目成果產(chǎn)業(yè)化后，供暖建造成本可望達(dá)到350元／m，而一個采暖季運(yùn)行成本有望控制在30m左右，各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和熱性能指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)供暖系統(tǒng)，市場潛力巨大。22研究目標(biāo)與任務(wù)解決的主要技術(shù)難點(diǎn)和問題分析全玻璃真空管太陽能空氣集熱器由于其工質(zhì)具有熱容小和可壓縮的特性，集熱器出口工質(zhì)溫度不僅是太陽輻射、集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度、環(huán)境風(fēng)速的函數(shù)，還與工質(zhì)密度、定壓比熱容、工質(zhì)穿過集熱器的質(zhì)量流量和

9、局部阻力具有依變關(guān)系，因此以一個或多個封閉的函數(shù)確定集熱器熱力學(xué)性能，必須以理論和實驗相結(jié)合的研究方法獲得。在供暖系統(tǒng)的研究中，針對不同的供暖負(fù)荷，必然涉及到多臺集熱器的串、并聯(lián)，其熱力學(xué)性能顯然與單臺集熱器不同，必須通過實驗研究確定兩臺集熱器串并聯(lián)的熱損、基于管內(nèi)工質(zhì)流動雷諾數(shù)的阻力與對流換熱系數(shù)的變化關(guān)系，再以數(shù)理方法推導(dǎo)出集熱器不同組合方式的熱力學(xué)性能。根據(jù)供暖負(fù)荷，以被動方法抑制供暖系統(tǒng)工質(zhì)出口溫度的過度波動，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹虚L

10、期氣象數(shù)據(jù)，以典型采暖日為基準(zhǔn)，推算出日平均太陽輻射量和熱負(fù)荷變化與時間的函數(shù)，結(jié)合關(guān)于供暖系統(tǒng)的流量、壓力參數(shù)，以及對局部助力元件的努歇爾數(shù)優(yōu)化研究結(jié)果，在強(qiáng)化換熱而又不過多增加風(fēng)機(jī)壓頭前提下，設(shè)計蓄熱器的容量、特征尺寸和復(fù)合換熱方式。估算供暖系統(tǒng)各部分的局部阻力和沿程阻力，結(jié)合供暖熱負(fù)荷，確定風(fēng)機(jī)全壓、流量等選型參數(shù)。根據(jù)熱空氣流動特性和人體對風(fēng)的感受特點(diǎn)，優(yōu)化室內(nèi)送風(fēng)氣流組織方式，以提高人體舒適性、減小供暖系統(tǒng)運(yùn)行阻力。3研究任務(wù)

11、與擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)31研究內(nèi)容、技術(shù)路線和創(chuàng)新點(diǎn)研究內(nèi)容主要有：311全玻璃真空管空氣集熱器與現(xiàn)有建筑的結(jié)合方式。38312采用被動方法提高全玻璃真空管太陽能空氣集熱器的瞬時效率方程性能，即提高截距效率與減小效率方程斜率。313根據(jù)試驗得出的集熱器熱力學(xué)性能和供暖熱負(fù)荷，以減小10～19時因日照陰晴變化導(dǎo)致供暖系統(tǒng)輸出溫度的波動為目標(biāo)，研制串聯(lián)式小容量蓄熱裝置。314建立4套共50m太陽能空氣集熱器供暖測試系統(tǒng)，測試其熱力學(xué)性能，通過強(qiáng)

12、化換熱、低阻力管路設(shè)計、供暖氣流合理組織分配等方法，實現(xiàn)供暖系統(tǒng)優(yōu)化。315通過一個采暖季的對比測試，衡量此種供暖方式較普通被動太陽房采暖的性能優(yōu)劣。具體技術(shù)路線如下：對于全玻璃真空管太陽能空氣集熱器，在不加大空氣質(zhì)量流量的前提下，擬采用強(qiáng)化對流換熱的被動方法提高集熱器熱力學(xué)性能，通過試驗建立集熱器穩(wěn)態(tài)條件下的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，測試方法遵循ASHRASE93—1986標(biāo)準(zhǔn)。真空管集熱器在管內(nèi)換熱過程中，由于速度場的畸變，將導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的溫