光熱技術(shù)在建筑物中的應(yīng)用概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17860光熱技術(shù)在建筑物中的應(yīng)用概述 1266371.1光熱技術(shù)概述 161051.2光熱技術(shù)與建筑物 1150201.3總結(jié) 91.1光熱技術(shù)概述太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)與工質(zhì)（主要是水或空氣）的相互作用轉(zhuǎn)化為熱能。這種轉(zhuǎn)換裝置將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能供使用，稱為太陽(yáng)能—熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)，又稱太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)。光熱技術(shù)基本原理是收集太陽(yáng)輻射能，通過(guò)與物質(zhì)的相互作用將其轉(zhuǎn)化為熱能。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)溫度和用途的不同，太陽(yáng)能分為低溫利用（<200）°C）中溫利用（200-800）°C）高溫利用（>800°C）低溫利用主要包括太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能烘干機(jī)、太陽(yáng)能蒸餾器、太陽(yáng)能房、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)等；中溫利用主要包括太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能集熱裝置等；高溫利用主要包括高溫太陽(yáng)爐等。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況,在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)必將會(huì)把我國(guó)的建筑節(jié)能推廣到一個(gè)新的階段。1.2光熱技術(shù)與建筑物根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況,在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)必將會(huì)把我國(guó)的建筑節(jié)能推廣到一個(gè)新的階段。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，添加熱水的裝置。它通常包括太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)水箱、水泵、連接管、支架、控制系統(tǒng)以及必要時(shí)的輔助能源。1.1.1太陽(yáng)能空氣加熱器太陽(yáng)能空氣加熱器是一種利用太陽(yáng)能加熱空氣的簡(jiǎn)單裝置，在種子、水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的干燥以及作為低溫能源方面有許多應(yīng)用（Niles等人，1979）。此外，太陽(yáng)能空氣加熱器用于加熱建筑物與輔助加熱器，以節(jié)省能源在冬季。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能空氣加熱器主要由一個(gè)吸收板和一個(gè)或多個(gè)平行板組成，形成氣流通道。玻璃或塑料蓋固定在吸收板上方，系統(tǒng)從背面和側(cè)面隔熱。通道中的氣流可能有不同的配置。太陽(yáng)能空氣加熱器設(shè)計(jì)和維護(hù)簡(jiǎn)單。與液體加熱器太陽(yáng)能系統(tǒng)相比，腐蝕和泄漏問(wèn)題不那么嚴(yán)重。空氣加熱器的主要缺點(diǎn)是吸收板和氣流之間的傳熱系數(shù)低，這導(dǎo)致加熱器的熱效率較低。因此，建議采用不同的改進(jìn)措施來(lái)提高吸收板與空氣之間的傳熱系數(shù)。這些改進(jìn)包括使用帶有翅片的吸收體（Garg等人，1991）、波紋吸收體（Choudhury等人，1988）、固體基質(zhì)（Sharma等人，1991）和空心球（Swartman和Ogunade，1966）。這些改進(jìn)顯著提高了熱效率，但也增加了壓降，這在空氣的高體積流率下變得非常重要。集熱器的主要熱損失來(lái)自前蓋（玻璃蓋），因?yàn)榧療崞鞯膫?cè)面和背面可以充分隔熱，而正面必須暴露在太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度下。吸收板和玻璃罩的溫度沿流動(dòng)方向升高，熱損失相應(yīng)增加。在建議的集熱器設(shè)計(jì)中，試圖通過(guò)強(qiáng)制空氣流過(guò)玻璃罩（預(yù)熱空氣）來(lái)減少對(duì)環(huán)境的熱損失，然后再經(jīng)過(guò)吸收器。因此，從玻璃罩中提取的能量將用于預(yù)熱空氣。這種布置需要兩個(gè)玻璃蓋，或者一個(gè)玻璃蓋和一個(gè)塑料蓋以降低成本（圖1）。這種布置形成逆流熱交換器。為了增加吸收器向空氣的傳熱，建議用多孔基體吸收器代替平板吸收器。因此，這種設(shè)計(jì)將減少對(duì)環(huán)境的熱傳遞，并增加對(duì)空氣的熱傳遞。對(duì)這種集熱器進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)的單、雙層玻璃罩太陽(yáng)能空氣加熱器進(jìn)行了性能比較。結(jié)果表明，與常規(guī)空氣預(yù)熱器相比，該空氣預(yù)熱器的熱效率顯著提高（在正常運(yùn)行條件下超過(guò)75%）。通過(guò)使用高孔隙率材料和仔細(xì)設(shè)計(jì)空氣通道，可以將壓降降到最小。這種燃料是污染物和溫室氣體的來(lái)源。過(guò)去五年的平均電能消耗表明，巴林冬季56%的電能消耗用于家庭使用[1]。在一個(gè)典型的單戶家庭中，水暖大約占總用能的四分之一。在冬季，電熱水器是所有家用電器中最大的能源消耗者。一家四口，每天淋浴5分鐘，每周用熱水3立方米；這足夠一個(gè)人三年的飲用水供應(yīng)。太陽(yáng)能熱水器可以取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱水器（電熱水器和燃?xì)鉄崴鳎?，并且可以很容易地與輻射板地板搭配，從而減少水電費(fèi)。巴林一年中大部分時(shí)間天空晴朗。云的形成只發(fā)生在一些有限的時(shí)期，全年。此外，巴林的地理位置可能是另一個(gè)原因，與世界許多地區(qū)相比，巴林全年大部分時(shí)間的太陽(yáng)輻射值相對(duì)較高。根據(jù)1997年1月至2001年12月的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬季的月平均太陽(yáng)輻射量最低為280w/m2，而夏季的月平均太陽(yáng)輻射量超過(guò)580w/m2。這些數(shù)字只是根據(jù)日照時(shí)數(shù)計(jì)算的。上述數(shù)字反映了太陽(yáng)能的巨大潛力，這顯然將大大節(jié)省目前用于發(fā)電的化石燃料。這恰好可以防止燃燒化石燃料產(chǎn)生的大量相關(guān)污染物和溫室氣體。最常用的家用太陽(yáng)能熱水器是自然循環(huán)式，許多研究小組已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和研究[2–12]。平板集熱器一直是并且可能仍然是最流行的太陽(yáng)能集熱器類型，用于一般或住宅用途。它們?cè)O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在中低溫下工作，機(jī)械零件很少。平板集熱器的基本優(yōu)點(diǎn)是成本低。今天，當(dāng)人們考慮未來(lái)電力或石油燃料成本的預(yù)測(cè)時(shí)，平板集熱器的使用在許多裝置中是合理的。簡(jiǎn)單的安裝也有助于使這種太陽(yáng)能裝置經(jīng)濟(jì)可行的勞動(dòng)力是最低限度的使用。勞動(dòng)力成本是大多數(shù)制造商強(qiáng)調(diào)模塊化結(jié)構(gòu)和易于安裝特性的主要原因之一，因此建議自行安裝。在許多國(guó)家，大多數(shù)現(xiàn)代家用太陽(yáng)能熱水器中使用的平板集熱器的主要缺點(diǎn)是，在熱水需求量通常最大的冬季，熱量損失高，性能差。本工作的目的是評(píng)估在巴林大學(xué)機(jī)械工程系設(shè)計(jì)和制造的圓柱形太陽(yáng)能熱水器的性能。研究結(jié)果顯示太陽(yáng)能在家庭用途上的利用，并鼓勵(lì)公眾使用類似的系統(tǒng)。盡管巴林非常適合利用太陽(yáng)能加熱水，但尚未得到廣泛應(yīng)用。這是由于兩個(gè)原因，即常規(guī)能源的可用性和低成本，以及公眾對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用、技術(shù)和優(yōu)勢(shì)缺乏了解。在這項(xiàng)工作中使用的太陽(yáng)能熱水器被設(shè)計(jì)成由一個(gè)圓柱形玻璃管，作為太陽(yáng)能的接收器和一個(gè)銅線圈，通過(guò)水流。這個(gè)線圈被放置在玻璃管內(nèi)，充當(dāng)收集器。銅管圈是由內(nèi)徑為1.0毫米、外徑為3.175毫米的銅管制成的圓柱形螺旋，涂成黑色，水流過(guò)。線圈受到太陽(yáng)輻射。線圈涂成黑色，以吸收最大可能的輻射，從而提高水溫。它是入射在圓柱管壁上的太陽(yáng)能的集熱器。螺旋環(huán)管長(zhǎng)度平均分為七部分。這些部分開(kāi)始于管道的入口，結(jié)束于管道的出口。所有閥門和接頭的安裝方式應(yīng)確保它們?cè)谕环ㄌm中開(kāi)始和結(jié)束，以避免空氣泄漏到管中，使安裝和維護(hù)更容易。在2002年3月和4月期間，對(duì)圓柱形太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行了廣泛的性能測(cè)試。2002年全年月平均最低、平均和最高干球溫度的變化如圖5所示。這個(gè)數(shù)字表明一年可以分為兩個(gè)時(shí)期：夏季從五月到十月；冬季從十一月到四月。從2002年的氣溫資料來(lái)看，實(shí)測(cè)最高氣溫為45.6℃，最低氣溫為8.8℃。巴林被認(rèn)為是世界熱點(diǎn)地區(qū)，因?yàn)橐荒曛写蟛糠謺r(shí)間都很熱。在巴林，所有的房屋都必須在屋頂上的水箱里儲(chǔ)存水。生活熱水僅在冬季需要，并由電加熱器加熱。另一方面，夏天，水可能需要冷卻以供家庭使用，特別是用于淋浴。月平均日照時(shí)數(shù)，即從日出到日落的明亮陽(yáng)光持續(xù)時(shí)間，如圖6所示。僅基于日時(shí)間的2002年全球太陽(yáng)輻射月平均變化見(jiàn)圖7。這是到達(dá)地面的可測(cè)量的太陽(yáng)能量。這里提供的數(shù)據(jù)來(lái)自巴林氣象局。這些數(shù)據(jù)顯示，巴林全年大部分時(shí)間內(nèi)日照周期長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射值高。因此，即使在冬季，太陽(yáng)能也有很大的利用潛力。因此，它可用于節(jié)約化石燃料的水加熱，減少與在熱電站使用有關(guān)的排放和溫室氣體。在試驗(yàn)期間，每天進(jìn)行以下測(cè)量：從上午8:00到下午2:00，圖2所示七個(gè)位置的環(huán)境空氣溫度和銅管沿線水溫。測(cè)量是每小時(shí)進(jìn)行的。這些數(shù)據(jù)用于計(jì)算圓柱型太陽(yáng)能熱水器的效率。這里，僅報(bào)告2002年3月30日和4月8日的數(shù)據(jù)。圖8示出了從上午8:00到下午2:00pm的環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化。隨著時(shí)間的推移，2002年3月30日和4月8日的溫度分別在上午11時(shí)和12:00達(dá)到最高溫度。然后，在兩天內(nèi)，環(huán)境溫度隨著時(shí)間的推移而下降。環(huán)境溫度對(duì)進(jìn)水溫度有很大影響，因?yàn)檫M(jìn)水溫度隨環(huán)境溫度的升高而升高。這種效應(yīng)將增加所獲得的有用能量，從而提高太陽(yáng)能熱水器的效率。圖2所示位置7和位置1處的溫差（Tout–Tin）的測(cè)量如圖9所示，該圖表示通過(guò)太陽(yáng)能熱水器的溫度上升與時(shí)間的關(guān)系。圖為2002年3月30日上午11時(shí)左右白天水溫最高升高20.51C，同年4月8日中午12:00時(shí)最高氣溫達(dá)到27.81C。這里應(yīng)該提到，第一天的水質(zhì)量流量為15.6kg/h，第二天為9kg/h。這可能是兩天之間這種差異的原因。從這個(gè)數(shù)字可以清楚地看出，隨著時(shí)間的推移，水溫會(huì)升高。如果假設(shè)進(jìn)口溫度在白天固定，則溫差在上午11:00至12:00之間達(dá)到最大值，因?yàn)檫@是進(jìn)行試驗(yàn)工作的一天中最熱的一天。夏季，環(huán)境溫度記錄了下午2:00至3:00之間的最大值。在類似的工作中，記錄的最大溫差為201C[10]，311C[11]，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器使用熱管時(shí)，以及夏季的401C[9]對(duì)水溫和管道長(zhǎng)度之間關(guān)系的研究表明，水溫隨著流經(jīng)管道而升高，直到在出口處達(dá)到最大值，如圖10所示。2002年3月30日為55.7攝氏度，同年4月8日為66.2攝氏度。這種變化是由于太陽(yáng)輻射和天氣條件的變化：2002年3月30日白天多云，而2002年4月8日則是晴天。從圖10可以看出，水溫升高，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這意味著管道長(zhǎng)度是最佳的，如果管道長(zhǎng)度增加超過(guò)目前工作中使用的長(zhǎng)度，出口溫度不會(huì)增加。如今，全世界有成千上萬(wàn)的現(xiàn)代太陽(yáng)能熱水器在使用。雖然太陽(yáng)能熱水器的初始購(gòu)買和安裝成本高于同等的傳統(tǒng)熱水器，但這一額外成本可以通過(guò)較低的能源費(fèi)用在一段時(shí)間內(nèi)收回。太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染的無(wú)污染能源，可以減少國(guó)家對(duì)常規(guī)燃料的需求，減少對(duì)環(huán)境的破壞，減少建設(shè)需要巨額投資的新電站的需要。1.1.2太陽(yáng)能熱水器圖1.1貝克蘭公司官網(wǎng)首頁(yè)推廣圖太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)組成，主要包括太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱罐、循環(huán)管、支架、控制系統(tǒng)、換熱器、水泵等設(shè)備及附件。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)特的組成部分，是合理利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵。太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)主要由真空管集熱器、蓄熱罐、地板采暖系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成1太陽(yáng)能照射真空管，真空管集熱器加熱水，熱水通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)儲(chǔ)存在保溫水箱中。如下圖所示：集熱器可以將水加熱到50度。此時(shí)紅色箭頭表示采暖水循環(huán)，水溫能滿足系統(tǒng)要求，電采暖關(guān)閉；2當(dāng)水溫滿足系統(tǒng)要求時(shí)，熱量通過(guò)換熱器傳遞到地板采暖盤管，然后熱量從地面均勻分布到室內(nèi)，地板采暖系統(tǒng)按箭頭所示循環(huán)；3當(dāng)太陽(yáng)能集熱器達(dá)不到地暖系統(tǒng)要求的溫度時(shí)，打開(kāi)電暖氣，保證水溫。如圖所示，電加熱處于紅色開(kāi)啟狀態(tài)。另外，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如下：《太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》GB/t18713-2002《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)規(guī)范》（GB/t20095-2006）民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GB/t50364-2005圖1.2熱力泵式太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t安裝示意圖1.3總結(jié)雖然太陽(yáng)能走進(jìn)建筑有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際生活中的應(yīng)用推廣卻不夠普及。在銷售平臺(tái)上搜熱水器，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)給用戶推送電熱水器。因此，此次總結(jié)，試分析太陽(yáng)能熱水器的缺點(diǎn)及改進(jìn)措施，試著完善其缺點(diǎn)，方便普及。圖1.3熱水器搜索結(jié)果農(nóng)村刀耕火種的日子已經(jīng)成為過(guò)去，生活方式也在改變。過(guò)去，全村人都在井里打水。隨著年輕人外出打工，留守老人成了一個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)正在努力提高生活質(zhì)量。隨著國(guó)家政策向農(nóng)村傾斜，如水電改造工程、水利工程、水利工程等搬遷工程、天然氣工程等，特別是自來(lái)水工程解決了農(nóng)民的飲水問(wèn)題。自來(lái)水安裝后，大多數(shù)農(nóng)村家庭都配備了太陽(yáng)能熱水器，方便了留守在家的老人和孩子洗澡。近年來(lái)，農(nóng)村房屋改造一直是最熱門的。許多農(nóng)民重建了自己的房子，這也是提高生活質(zhì)量的新追求。不過(guò)，改造后不少農(nóng)民會(huì)安裝電熱水器。以前在農(nóng)村很流行的太陽(yáng)能熱水器，現(xiàn)在在農(nóng)村很難看到了。一部分原因是隨著農(nóng)村電氣化越來(lái)越普遍，很多農(nóng)民選擇了電熱水器，拒絕了太陽(yáng)能熱水器，從太陽(yáng)能熱水器本身性能問(wèn)題分析，有如下幾個(gè)原因：1. 春夏秋三季都有溫度適宜的熱水，但冬天只有20度左右。太陽(yáng)能熱水器的特點(diǎn)是，如果陽(yáng)光充足，水溫可以達(dá)到80度左右。只要安裝一個(gè)冷熱開(kāi)關(guān)，基本夠全家用了。春、夏、秋季日照時(shí)間較長(zhǎng)，室外溫度足夠高，太陽(yáng)能中的水更容易發(fā)熱。冬天又冷又凍，而且是農(nóng)村用水量的高峰期，但沒(méi)有充足的熱水，水溫只有20度左右甚至更低，所以農(nóng)民傾向于不適用太陽(yáng)能熱水器。溫度低時(shí)，容易造成安裝在室外的水管爆裂。防止爆管的方法是在低溫發(fā)生前及時(shí)排出太陽(yáng)能中的水分。冬天氣溫低的時(shí)候，洗衣服和蔬菜需要熱水。這個(gè)時(shí)候，人們用不上足量的熱水，因此飽受詬病。1. 浪費(fèi)過(guò)多冷水。為了更好地接受太陽(yáng)光的照射，太陽(yáng)能熱水器一般都安裝在房子的頂層，而農(nóng)村的樓房大多是三層，每層樓約3米，這樣近10米的水管里就灌滿了冷水。于是每次使用前，應(yīng)先將10米水管內(nèi)的水放凈，再使用熱水。大部分農(nóng)村地區(qū)都是25號(hào)水管，他們每年浪費(fèi)的水量不是一個(gè)小數(shù)目，這對(duì)于習(xí)慣節(jié)約的農(nóng)民來(lái)說(shuō)，不是一個(gè)小浪費(fèi)。因此，從節(jié)約水資源方面來(lái)講，不如電熱水器方便。3. 保溫能力不強(qiáng)。如果天氣晴朗，太陽(yáng)能熱水器里的水會(huì)很熱。夏天，它需要冷水。但到了秋天，南方多雨，北方多云，太陽(yáng)能熱水器就沒(méi)用了。即使前一天晴天，第二天下雨，第二天也沒(méi)有熱水，由于保溫能力不強(qiáng)，導(dǎo)致的水溫不穩(wěn)定結(jié)果，用水洗澡還要視天氣而定，是農(nóng)民選擇放棄的另一原因。4. 長(zhǎng)時(shí)間無(wú)水會(huì)產(chǎn)生異味。這是一個(gè)最嚴(yán)重的問(wèn)題。太陽(yáng)能熱水器