太陽(yáng)能空氣集熱器應(yīng)用于建筑供暖的研究

1、資源開(kāi)發(fā)《西藏科技))2oos年2期(總第179期)太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(duì)所需要進(jìn)一步開(kāi)展的研究以及方法、未來(lái)市場(chǎng)前景進(jìn)行了技術(shù)描述。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能空氣集熱器建筑供暖研究中圖分類

2、號(hào)：TK51351研究背景11國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)、知識(shí)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(yáng)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(dòng)太陽(yáng)房技術(shù)和太陽(yáng)能熱水器。被動(dòng)太陽(yáng)房構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，但建筑陰面(北墻)無(wú)法實(shí)現(xiàn)采暖，尤其對(duì)于大進(jìn)深建筑如教室、寫(xiě)字樓、會(huì)議室和商場(chǎng)尤為如此。解決這一難題的方法多采用太陽(yáng)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(yáng)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蒙希┡c制冷分為兩個(gè)管路布置于建筑中，其中一臺(tái)熱泵主要給教室、會(huì)堂和地板供給冷(熱)源，為空氣系統(tǒng)；另一臺(tái)熱泵主要供給圖書(shū)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(yáng)

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(wèn)題。美國(guó)洛杉磯道格拉斯太陽(yáng)能公司于1997年開(kāi)發(fā)出了平板式太陽(yáng)能空氣集熱器，并應(yīng)用于房屋采暖，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，但基于歸一化溫差的瞬時(shí)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(guó)俄亥俄州哥倫布市，國(guó)際薄板金屬工作者協(xié)會(huì)屋頂，安裝了由144支真空

5、管組成的太陽(yáng)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(yáng)蒸汽系統(tǒng)；天津大學(xué)毛潤(rùn)治分別對(duì)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(yáng)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(shí)驗(yàn)研究；華僑大學(xué)林金清分別對(duì)空氣集熱器I、Ⅱ型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算；中科院王志峰對(duì)全玻璃真空管太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并對(duì)集熱器的時(shí)間常數(shù)、熱延遲常數(shù)、入射系數(shù)修正因子及瞬時(shí)熱效率進(jìn)

6、行初步實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)際上太陽(yáng)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(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)關(guān)于太陽(yáng)能集熱器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))和ISO9806—2(歐洲質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)之太陽(yáng)能熱工測(cè)量標(biāo)準(zhǔn))，本課題已獲得得前期研究成果和今后開(kāi)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(yáng)能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，借助承擔(dān)國(guó)家十一五支撐計(jì)劃項(xiàng)目《新型節(jié)能建筑的研究》子課題《太陽(yáng)能中高溫空氣

7、集熱器測(cè)試臺(tái)》，就全玻璃真空管太陽(yáng)能空氣集熱器開(kāi)展了兩年的研究，取得的成果有：121獲得太陽(yáng)能空氣集熱器效率方程q∞O5045O4札0503O25020l50iO∞O維普資訊資源開(kāi)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(chǎng)、教學(xué)樓、辦公樓等公共建筑大部分沒(méi)有實(shí)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(gè)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(xiàng)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(gè)采暖季運(yùn)行成本有望控制在30m左右，各項(xiàng)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(chǎng)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(wèn)題分析全玻璃真空管太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(gè)或多個(gè)封閉的函數(shù)確定集熱器熱力學(xué)性能，必須以理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法獲得。在供暖系統(tǒng)的研究中，針對(duì)不同的供暖負(fù)荷，必然涉及到多臺(tái)集熱器的串、并聯(lián)，其熱力學(xué)性能顯然與單臺(tái)集熱器不同，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定兩臺(tái)集熱器串并聯(lián)的熱損、基于管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)雷諾數(shù)的阻力與對(duì)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(dòng)方法抑制供暖系統(tǒng)工質(zhì)出口溫度的過(guò)度波動(dòng)，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹虚L(zhǎng)

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(yáng)輻射量和熱負(fù)荷變化與時(shí)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(duì)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(guò)多增加風(fēng)機(jī)壓頭前提下，設(shè)計(jì)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(dòng)特性和人體對(duì)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?jī)?nèi)容、技術(shù)路線和創(chuàng)新點(diǎn)研究?jī)?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(dòng)方法提高全玻璃真空管太陽(yáng)能空氣集熱器的瞬時(shí)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(yàn)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(shí)因日照陰晴變化導(dǎo)致供暖系統(tǒng)輸出溫度的波動(dòng)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(yáng)能空氣集熱器供暖測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試其熱力學(xué)性能，通過(guò)強(qiáng)

12、化換熱、低阻力管路設(shè)計(jì)、供暖氣流合理組織分配等方法，實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)優(yōu)化。315通過(guò)一個(gè)采暖季的對(duì)比測(cè)試，衡量此種供暖方式較普通被動(dòng)太陽(yáng)房采暖的性能優(yōu)劣。具體技術(shù)路線如下：對(duì)于全玻璃真空管太陽(yáng)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(duì)流換熱的被動(dòng)方法提高集熱器熱力學(xué)性能，通過(guò)試驗(yàn)建立集熱器穩(wěn)態(tài)條件下的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，測(cè)試方法遵循ASHRASE93—1986標(biāo)準(zhǔn)。真空管集熱器在管內(nèi)換熱過(guò)程中，由于速度場(chǎng)的畸變，將導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的溫