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)概述太陽能熱轉(zhuǎn)換是將太陽輻射能收集起來，通過與工質(zhì)（主要是水或空氣）的相互作用轉(zhuǎn)化為熱能。這種轉(zhuǎn)換裝置將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能供使用，稱為太陽能—熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)，又稱太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)。光熱技術(shù)基本原理是收集太陽輻射能，通過與物質(zhì)的相互作用將其轉(zhuǎn)化為熱能。一般來說，根據(jù)溫度和用途的不同，太陽能分為低溫利用（<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能熱水器、太陽能烘干機、太陽能蒸餾器、太陽能房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等；中溫利用主要包括太陽能灶、太陽能集熱裝置等；高溫利用主要包括高溫太陽爐等。根據(jù)我國的實際情況,在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)必將會把我國的建筑節(jié)能推廣到一個新的階段。1.2光熱技術(shù)與建筑物根據(jù)我國的實際情況,在建筑中大力推廣應(yīng)用太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)必將會把我國的建筑節(jié)能推廣到一個新的階段。太陽能熱水系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，添加熱水的裝置。它通常包括太陽能集熱器、儲水箱、水泵、連接管、支架、控制系統(tǒng)以及必要時的輔助能源。1.1.1太陽能空氣加熱器太陽能空氣加熱器是一種利用太陽能加熱空氣的簡單裝置，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)的太陽能空氣加熱器主要由一個吸收板和一個或多個平行板組成，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。太陽能空氣加熱器設(shè)計和維護簡單。與液體加熱器太陽能系統(tǒng)相比，腐蝕和泄漏問題不那么嚴重?？諝饧訜崞鞯闹饕秉c是吸收板和氣流之間的傳熱系數(shù)低，這導致加熱器的熱效率較低。因此，建議采用不同的改進措施來提高吸收板與空氣之間的傳熱系數(shù)。這些改進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自前蓋（玻璃蓋），因為集熱器的側(cè)面和背面可以充分隔熱，而正面必須暴露在太陽輻射和環(huán)境溫度下。吸收板和玻璃罩的溫度沿流動方向升高，熱損失相應(yīng)增加。在建議的集熱器設(shè)計中，試圖通過強制空氣流過玻璃罩（預(yù)熱空氣）來減少對環(huán)境的熱損失，然后再經(jīng)過吸收器。因此，從玻璃罩中提取的能量將用于預(yù)熱空氣。這種布置需要兩個玻璃蓋，或者一個玻璃蓋和一個塑料蓋以降低成本（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)計將減少對環(huán)境的熱傳遞，并增加對空氣的熱傳遞。對這種集熱器進行了分析，并與傳統(tǒng)的單、雙層玻璃罩太陽能空氣加熱器進行了性能比較。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（在正常運行條件下超過75%）。通過使用高孔隙率材料和仔細設(shè)計空氣通道，可以將壓降降到最小。這種燃料是污染物和溫室氣體的來源。過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；這足夠一個人三年的飲用水供應(yīng)。太陽能熱水器可以取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱水器（電熱水器和燃氣熱水器），并且可以很容易地與輻射板地板搭配，從而減少水電費。巴林一年中大部分時間天空晴朗。云的形成只發(fā)生在一些有限的時期，全年。此外，巴林的地理位置可能是另一個原因，與世界許多地區(qū)相比，巴林全年大部分時間的太陽輻射值相對較高。根據(jù)1997年1月至2001年12月的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬季的月平均太陽輻射量最低為280w/m2，而夏季的月平均太陽輻射量超過580w/m2。這些數(shù)字只是根據(jù)日照時數(shù)計算的。上述數(shù)字反映了太陽能的巨大潛力，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。最常用的家用太陽能熱水器是自然循環(huán)式，許多研究小組已經(jīng)對其進行了詳細的設(shè)計、開發(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能集熱器類型，用于一般或住宅用途。它們設(shè)計簡單，在中低溫下工作，機械零件很少。平板集熱器的基本優(yōu)點是成本低。今天，當人們考慮未來電力或石油燃料成本的預(yù)測時，平板集熱器的使用在許多裝置中是合理的。簡單的安裝也有助于使這種太陽能裝置經(jīng)濟可行的勞動力是最低限度的使用。勞動力成本是大多數(shù)制造商強調(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。在許多國家，大多數(shù)現(xiàn)代家用太陽能熱水器中使用的平板集熱器的主要缺點是，在熱水需求量通常最大的冬季，熱量損失高，性能差。本工作的目的是評估在巴林大學機械工程系設(shè)計和制造的圓柱形太陽能熱水器的性能。研究結(jié)果顯示太陽能在家庭用途上的利用，并鼓勵公眾使用類似的系統(tǒng)。盡管巴林非常適合利用太陽能加熱水，但尚未得到廣泛應(yīng)用。這是由于兩個原因，即常規(guī)能源的可用性和低成本，以及公眾對太陽能的應(yīng)用、技術(shù)和優(yōu)勢缺乏了解。在這項工作中使用的太陽能熱水器被設(shè)計成由一個圓柱形玻璃管，作為太陽能的接收器和一個銅線圈，通過水流。這個線圈被放置在玻璃管內(nèi)，充當收集器。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。線圈受到太陽輻射。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能的集熱器。螺旋環(huán)管長度平均分為七部分。這些部分開始于管道的入口，結(jié)束于管道的出口。所有閥門和接頭的安裝方式應(yīng)確保它們在同一法蘭中開始和結(jié)束，以避免空氣泄漏到管中，使安裝和維護更容易。在2002年3月和4月期間，對圓柱形太陽能熱水器進行了廣泛的性能測試。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。這個數(shù)字表明一年可以分為兩個時期：夏季從五月到十月；冬季從十一月到四月。從2002年的氣溫資料來看，實測最高氣溫為45.6℃，最低氣溫為8.8℃。巴林被認為是世界熱點地區(qū)，因為一年中大部分時間都很熱。在巴林，所有的房屋都必須在屋頂上的水箱里儲存水。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。月平均日照時數(shù)，即從日出到日落的明亮陽光持續(xù)時間，如圖6所示。僅基于日時間的2002年全球太陽輻射月平均變化見圖7。這是到達地面的可測量的太陽能量。這里提供的數(shù)據(jù)來自巴林氣象局。這些數(shù)據(jù)顯示，巴林全年大部分時間內(nèi)日照周期長，太陽輻射值高。因此，即使在冬季，太陽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。在試驗期間，每天進行以下測量：從上午8:00到下午2:00，圖2所示七個位置的環(huán)境空氣溫度和銅管沿線水溫。測量是每小時進行的。這些數(shù)據(jù)用于計算圓柱型太陽能熱水器的效率。這里，僅報告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)境溫度隨時間的變化。隨著時間的推移，2002年3月30日和4月8日的溫度分別在上午11時和12:00達到最高溫度。然后，在兩天內(nèi)，環(huán)境溫度隨著時間的推移而下降。環(huán)境溫度對進水溫度有很大影響，因為進水溫度隨環(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）的測量如圖9所示，該圖表示通過太陽能熱水器的溫度上升與時間的關(guān)系。圖為2002年3月30日上午11時左右白天水溫最高升高20.51C，同年4月8日中午12:00時最高氣溫達到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。從這個數(shù)字可以清楚地看出，隨著時間的推移，水溫會升高。如果假設(shè)進口溫度在白天固定，則溫差在上午11:00至12:00之間達到最大值，因為這是進行試驗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]，當太陽能熱水器使用熱管時，以及夏季的401C[9]對水溫和管道長度之間關(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，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)。這意味著管道長度是最佳的，如果管道長度增加超過目前工作中使用的長度，出口溫度不會增加。如今，全世界有成千上萬的現(xiàn)代太陽能熱水器在使用。雖然太陽能熱水器的初始購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較低的能源費用在一段時間內(nèi)收回。太陽能作為一種無污染的無污染能源，可以減少國家對常規(guī)燃料的需求，減少對環(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太陽能熱水器圖1.1貝克蘭公司官網(wǎng)首頁推廣圖太陽能熱水系統(tǒng)主要由太陽能集熱器系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)組成，主要包括太陽能集熱器、儲熱罐、循環(huán)管、支架、控制系統(tǒng)、換熱器、水泵等設(shè)備及附件。太陽能集熱系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)中一個獨特的組成部分，是合理利用太陽能的關(guān)鍵。太陽能采暖系統(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太陽能照射真空管，真空管集熱器加熱水，熱水通過循環(huán)系統(tǒng)儲存在保溫水箱中。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當水溫滿足系統(tǒng)要求時，熱量通過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當太陽能集熱器達不到地暖系統(tǒng)要求的溫度時，打開電暖氣，保證水溫。如圖所示，電加熱處于紅色開啟狀態(tài)。另外，太陽能熱水系統(tǒng)國家標準如下：《太陽能熱水器系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收技術(shù)規(guī)范》GB/t18713-2002《太陽能熱水系統(tǒng)性能評價規(guī)范》（GB/t20095-2006）民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GB/t50364-2005圖1.2熱力泵式太陽能燃氣鍋爐安裝示意圖1.3總結(jié)雖然太陽能走進建筑有著諸多優(yōu)點，但是在實際生活中的應(yīng)用推廣卻不夠普及。在銷售平臺上搜熱水器，平臺會自動給用戶推送電熱水器。因此，此次總結(jié)，試分析太陽能熱水器的缺點及改進措施，試著完善其缺點，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)成為過去，生活方式也在改變。過去，全村人都在井里打水。隨著年輕人外出打工，留守老人成了一個問題。經(jīng)過多年的發(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，特別是自來水工程解決了農(nóng)民的飲水問題。自來水安裝后，大多數(shù)農(nóng)村家庭都配備了太陽能熱水器，方便了留守在家的老人和孩子洗澡。近年來，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，改造后不少農(nóng)民會安裝電熱水器。以前在農(nóng)村很流行的太陽能熱水器，現(xiàn)在在農(nóng)村很難看到了。一部分原因是隨著農(nóng)村電氣化越來越普遍，很多農(nóng)民選擇了電熱水器，拒絕了太陽能熱水器，從太陽能熱水器本身性能問題分析，有如下幾個原因：1. 春夏秋三季都有溫度適宜的熱水，但冬天只有20度左右。太陽能熱水器的特點是，如果陽光充足，水溫可以達到80度左右。只要安裝一個冷熱開關(guān)，基本夠全家用了。春、夏、秋季日照時間較長，室外溫度足夠高，太陽能中的水更容易發(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能熱水器。溫度低時，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)生前及時排出太陽能中的水分。冬天氣溫低的時候，洗衣服和蔬菜需要熱水。這個時候，人們用不上足量的熱水，因此飽受詬病。1. 浪費過多冷水。為了更好地接受太陽光的照射，太陽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號水管，他們每年浪費的水量不是一個小數(shù)目，這對于習慣節(jié)約的農(nóng)民來說，不是一個小浪費。因此，從節(jié)約水資源方面來講，不如電熱水器方便。3. 保溫能力不強。如果天氣晴朗，太陽能熱水器里的水會很熱。夏天，它需要冷水。但到了秋天，南方多雨，北方多云，太陽能熱水器就沒用了。即使前一天晴天，第二天下雨，第二天也沒有熱水，由于保溫能力不強，導致的水溫不穩(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. 長時間無水會產(chǎn)生異味。這是一個最嚴重的問題。太陽能熱水器