1、一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的實驗研究工程概況：一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種工作模式:被動采暖工作模式和集熱水工作模式。由系統(tǒng)工作在被動采暖工作模式下的實驗結(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)在被動采暖工作模式下工作時對房間溫度的提高作用明顯，實驗測試結(jié)果顯示，實驗期間系統(tǒng)房間平均溫度達到24.7 ，相對環(huán)境溫度升高平均達到19.9。通過系統(tǒng)以自然循環(huán)方式工作在集熱水工作模式下的實驗測試結(jié)果，可以得到實驗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得熱為4.16M

2、J/。引言 太陽能在建筑中的熱利用技術(shù)在國內(nèi)外已有一定發(fā)展，其中太陽能制熱水和太陽能采暖是最為普遍的兩種應(yīng)用形式。太陽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能供熱，系統(tǒng)需在不使用時放空集熱器以防水在其中凍結(jié)。之后提出多種太陽能建筑供暖系統(tǒng)，如Trombe墻系統(tǒng)、改進后的復(fù)合Trombe墻系統(tǒng)和新型光伏Tinmbe墻系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)Trombe墻功能單一等問題而提出)等。這些系統(tǒng)的提出，推進了在建筑中應(yīng)用太陽能供暖技術(shù)的發(fā)展，但仍存在一些問題有待完善。一般來說，在冬季，太陽能供暖系統(tǒng)可以很好地滿足建筑采暖需求

3、，但在建筑無需供暖的時期(特別是夏季)，太陽能供暖系統(tǒng)會造成系統(tǒng)全年使用率低，并影響系統(tǒng)使用的經(jīng)濟性，且易造成建筑過熱問題。在太陽能制熱水應(yīng)用方面，由于太陽能熱水系統(tǒng)具有相對簡單、技術(shù)較成熟且成本較低的特點，成為太陽能熱利用技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最為普通的技術(shù)，同時隨著太陽能制熱水應(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):太陽能熱水系在冬季寒冷地區(qū)應(yīng)用時，水溫過低甚至系統(tǒng)結(jié)凍會造成系統(tǒng)無法有效使用;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法滿足需求等。因此為對太陽能制熱水系統(tǒng)進行改進，提出了太陽能熱水墻的概念，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題，并且安裝方式的改進，使系統(tǒng)更美觀，但對于熱水系統(tǒng)在冬季使用時所出現(xiàn)的問題未得到根本解決。 為解決以上問題，本文提出了與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種工作模式:被動采暖工作模式和集熱水工作模式。在全年建筑需供暖的時期(如冬季)，系統(tǒng)以被動采暖工作模式運行為室內(nèi)房間供暖，在全年其他時期特別是夏季，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)可以避免單獨應(yīng)用太陽能被動采暖系統(tǒng)在夏季易造成的建筑過熱而制約其推廣應(yīng)用的問題，而且還可以有效利用太陽能提供生活熱水。 為對該新型系統(tǒng)進行研究，本文以熱箱為基礎(chǔ)，建立了與建筑一體化太陽能雙效集熱器

5、系統(tǒng)的測試平臺，并針對系統(tǒng)兩種工作模式分別進行了實驗測試和分析。1與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)構(gòu)成及實驗裝置與建筑一體化太陽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是雙效集熱器里有一個特別加寬的空氣間隙空間，并且集熱器背面上下位置開有兩個矩形的開口，如圖1所示為了對與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)進行研究，本文在熱箱基礎(chǔ)上搭建了該新型系統(tǒng)的實驗測試平臺。如圖2、圖3所示，該平臺包括熱箱房間、與建筑一體化太陽能雙效集熱器模塊、上下風(fēng)口、蓄熱水箱、閥門和管路等。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:在被動采暖工作模式下，閥門關(guān)閉，系統(tǒng)的上下風(fēng)口開啟，從而使建筑房間與集熱器相通，集熱器特別設(shè)計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，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，閥門開啟，蓄熱水箱中的水通過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。 實驗測量系統(tǒng)在系統(tǒng)主要位置布置有銅一康銅熱電偶以測量相關(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個高度位置、蓄熱水箱中的上中下3個位置。測量系統(tǒng)還包括測量環(huán)境溫度，并通過IBQ-2總輻射儀測量南向豎直面的總輻照強度。所有溫度數(shù)據(jù)和輻照數(shù)據(jù)通過Agileng34970A數(shù)據(jù)采集儀實時采集。另外，對于集熱水工作模式下的實驗，每次實驗結(jié)束時稱量實驗水量。2實驗結(jié)果和分析2.1被動采暖工作模式 為進行與建筑一體化太陽能雙效集熱器在被動采暖工作模式下的性能研究，在2008年1月2日進行了8h的連續(xù)測量，測量時間段9:00一17:00。圖4給出了實驗期間房間空氣溫度隨

8、時間的變化曲線。房間空氣溫度的測試結(jié)果顯示:實驗期間房間空氣上中下3個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，說明系統(tǒng)房間空氣存在明顯的溫度分層現(xiàn)象;對比上中下3個位置的房間空氣溫度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)這3個位置的空氣溫度具有一致的變化趨勢，都是先逐漸升高后逐漸降低，并且各個位置的溫度最高點都出現(xiàn)在約14:16，因此，可以將在某時刻的這3個位置的空氣溫度的平均值用來代表該時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個位置的空氣溫度的平均值來代表房間整體空氣溫度，可以得到測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)境溫度的對比

9、變化曲線以及房間空氣相對環(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。由房間空氣相對環(huán)境的溫升變化曲線，可以得到房間空氣相對環(huán)境的溫升范圍為4.5一26.8 ,期間平均溫升達到19.9。結(jié)果表明，在工作于被動采暖工作模式下的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)的作用下，房間空氣溫度得到很大提升。圖6為房間空氣上部測點和下部測點的溫差與太陽輻照強度隨時間變化的對比曲線。由圖可知，期間房間上部測點與下部測點的最大溫差約為4.2，平均溫差約為2.7。此外，對比溫差曲線和太陽輻照強度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)溫差曲線的變化趨勢與太陽輻照強度

10、曲線的變化趨勢具有很強的一致性。 圖7給出了上風(fēng)口空氣溫度與房間空氣平均溫度的對比曲線。由圖可知，上風(fēng)口空氣溫度最高達到54.8。上風(fēng)口空氣溫度的變化趨勢同樣出現(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。在測量期間，上風(fēng)口空氣溫度均高于房間空氣溫度，因為上風(fēng)口空氣升溫可認為是從下風(fēng)口進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，房間空氣溫度在實驗期間出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，但并不表明從開始降低的時間起，集熱器對房間供熱作用失去，相反這段期間集熱器仍在為房間進行供暖。測量終止時，兩者溫度已接近，這說明上下風(fēng)口應(yīng)從此時開始關(guān)閉。2.2集熱水工作模式為進行與建筑一

11、體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)在集熱水工作模式下的性能研究，在2008年4月25日進行了8h的連續(xù)測量，測量時間段與被動采暖工作模式不同，為8:00- 16:00。圖8給出了測量期間的環(huán)境溫度和輻照強度的變化曲線。平均環(huán)境溫度為25.2，平均輻照強度為273.3W/耐。測量結(jié)束時，水量稱重為98.3kg。整個實驗期間，系統(tǒng)以自然循環(huán)方式運行。圖9所示為蓄熱水箱中水溫測量曲線。測試結(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)文獻中對熱水系統(tǒng)的評價方法，根據(jù)實驗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、在實驗期間與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)在集熱水工作模式下的集熱效率為52.8%，太陽得熱量為7.64MJ，集熱器單位面積的太陽得熱為4.16MJ/。3結(jié)論通過利用熱箱實驗平臺，對本文提出的新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)進行實驗測試和分析，得到以下結(jié)論: 1)與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(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)在單獨應(yīng)用時所面臨的問題，同時有效利用了太陽能; 2)實驗測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)工作在被動采暖工作模式下時，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)以被動采暖工作模式運行時，與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統(tǒng)在被動采暖工作模式下工作時對房間溫度的提高作用明顯。實驗測試結(jié)果顯示，在實驗測試期間9:00一17:00，系統(tǒng)房間期間平均溫度達到24.7，而