太陽能建筑一體化原理與應(yīng)用第10章太陽能制冷與空調(diào)一、太陽能吸收/吸附式空調(diào)1.太陽能吸收式空調(diào)吸收式制冷系統(tǒng)是一種熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)。吸收式制冷的工質(zhì)包含吸收質(zhì)和吸收劑，吸收質(zhì)作為制冷劑。太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)原理圖一、太陽能吸收/吸附式空調(diào)（10-1）其中Qe為蒸發(fā)器制冷功率（W），Qg為發(fā)生器消耗的熱功率，單位為W。在吸收式制冷系統(tǒng)中，熱力系數(shù)COPth按下式計算：2.太陽能吸附式空調(diào)吸附式制冷的原理與吸收式制冷類似，但不同的是吸附劑是固體。太陽能吸附式空調(diào)即是以太陽能為熱源，利用吸附式原理的制冷空調(diào)系統(tǒng)。一、太陽能吸收/吸附式空調(diào)3.太陽能吸收/吸附制冷的性能系數(shù)（10-2）太陽能制冷性能系數(shù)（即COPsolar），它是指集熱器接收到的太陽輻射Qs轉(zhuǎn)變?yōu)橹评淞縌e的份額，定義式為：（10-3）（10-4）對于太陽能吸收/吸附制冷來說，首先要通過集熱器把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過吸收/吸附制冷機(jī)轉(zhuǎn)化為制冷量，因此，

一、太陽能吸收/吸附式空調(diào)對于太陽能集熱器而言，出水溫度越高，集熱器效率越低；而對于熱驅(qū)動的制冷系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動熱源溫度越高，制冷的熱力系數(shù)越高。熱驅(qū)動制冷機(jī)組的熱力性能系數(shù)曲線一、太陽能吸收/吸附式空調(diào)

二、太陽能除濕空調(diào)系統(tǒng)除濕冷卻系統(tǒng)是由干燥空氣和蒸發(fā)冷卻兩種過程組合而成的1.太陽能固體除濕空調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)是使用固體干燥劑去除空氣中的水分含量的。干燥劑材料通常浸漬在蜂窩設(shè)計的轉(zhuǎn)輪式熱交換器上。1.太陽能固體除濕空調(diào)系統(tǒng)固體除濕冷卻系統(tǒng)空氣變化焓濕圖太陽能轉(zhuǎn)輪式除濕空調(diào)基本循環(huán)形式如圖所示：常用的干燥劑材料常用的干燥劑材料有硅膠、活性鋁、天然和人造沸石、硅酸鈦、合成聚合物、氯化鋰、氯化鈣等，這里主要介紹氯化鋰。氯化鋰是一種化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的鹽。原則上，氯化鋰晶體和食用鹽氯化鈉晶體有相似的結(jié)構(gòu)，是可利用的具有最大吸濕力的鹽之一。氯化鋰是一種溶解型除濕劑，能夠像固體一樣吸收水蒸氣，此時為化學(xué)吸收；并且在其吸收水變成液體溶液后還能繼續(xù)吸收水分，此時為溶液吸收。氯化鋰能夠在堿性環(huán)境下運行，還能夠抑制細(xì)菌在其表面生長，而且在溫暖和潮濕的環(huán)境中非常適用，對人體健康無害。（10-5）（10-6）（10-7）除濕空調(diào)系統(tǒng)的制冷量：轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的除濕量：轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的熱力COPth：Qc和Qreg分別為制冷量和再生熱；ms為送風(fēng)空氣流量；din和dsup為室外空氣和空調(diào)送風(fēng)的焓值；hin和hsup為室外空氣和空調(diào)送風(fēng)的焓值。太陽能除濕空調(diào)的性能評價指標(biāo)：2.太陽能液體除濕空調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)是利用液體干燥劑材料去除空氣中的水分含量。太陽能驅(qū)動溶液除濕制冷系統(tǒng)2.太陽能液體除濕空調(diào)系統(tǒng)溶液除濕的系統(tǒng)流程圖有很多種，比如可以利用室內(nèi)的排風(fēng)對濃溶液再生：太陽能驅(qū)動溶液除濕制冷系統(tǒng)（利用排風(fēng)再生濃溶液）液體干燥劑除濕溶液常用露點（℃）濃度（％）毒性腐蝕性穩(wěn)定性主要用途備注氯化鈣水溶液－3～－140～50無中穩(wěn)定城市煤氣除濕

二甘醇－15～－1070～95無小穩(wěn)定一般氣體的除濕沸點245℃，用簡單的分餾裝置就能再生，再生溫度150℃，損失量很少丙三醇溶液，無水（3～6）～－15（10~80）~100無小高溫下氧化分解工業(yè)氣體的干燥在真空條件下蒸發(fā)再生，只需要很少的加熱負(fù)荷。三甘醇－15~－1070~95無小穩(wěn)定空調(diào)，一般氣體的除濕沸點238℃，有揮發(fā)性，用于空調(diào)除濕氯化鋰水溶液－10~－430~40無中穩(wěn)定空調(diào)，殺菌低溫干燥沸點高，在低濃度時吸濕性大，再生容易，粘度小，使用范圍廣泛。三、太陽能光伏空調(diào)1.光伏空調(diào)與建筑光儲直柔系統(tǒng)（1）光伏空調(diào)概述根據(jù)制冷方式的不同常見的光伏空調(diào)可以分為光伏驅(qū)動的蒸汽壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)與光伏半導(dǎo)體空調(diào)；根據(jù)用電形式，可以分為交流空調(diào)系統(tǒng)和直流空調(diào)系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，可以分為分體空調(diào)系統(tǒng)和大型空調(diào)系統(tǒng)。（分體空調(diào)器與集中式空調(diào)系統(tǒng)見下兩頁PPT圖示）光伏驅(qū)動的分體機(jī)空調(diào)器1.光伏空調(diào)與建筑光儲直柔系統(tǒng)

1.光伏空調(diào)與建筑光儲直柔系統(tǒng)光伏驅(qū)動的集中式空調(diào)系統(tǒng)1.光伏空調(diào)與建筑光儲直柔系統(tǒng)（2）建筑光儲直柔系統(tǒng)光儲直柔，簡稱PEDF（Photovoltaics，Energystorage，DirectcurrentandFlexibility）是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用能的簡稱：（2）建筑光儲直柔系統(tǒng)光儲直柔建筑配電系統(tǒng)的關(guān)鍵特征如下：1）光儲直柔系統(tǒng)是有機(jī)融合并構(gòu)成一個整體來實現(xiàn)柔性用能，即實現(xiàn)建筑與電網(wǎng)之間的友好互動。因此，基于變化直流母線電壓的系統(tǒng)控制策略是其中的關(guān)鍵。2）光儲直柔系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“自上而下”（集中電站發(fā)電，并通過電網(wǎng)輸配給各終端用戶）轉(zhuǎn)變?yōu)椤白韵露稀保ǜ鹘K端用戶自身具有發(fā)電能力，分布式發(fā)電首先在終端用戶自消納，若有剩余再傳輸至上一級電網(wǎng)）。3）光儲直柔系統(tǒng)將成為電力系統(tǒng)中可調(diào)度的柔性用能節(jié)點。三、太陽能光伏空調(diào)1.半導(dǎo)體熱電制冷（1）熱電制冷原理熱電制冷（亦稱為溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或電子制冷）是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用珀爾帖效應(yīng)的原理實現(xiàn)制冷的。半導(dǎo)體熱電制冷示意圖1.半導(dǎo)體熱電制冷四、天空輻射制冷1.天空輻射制冷原理地表與大氣層吸收太陽輻射，同時也會以紅外輻射的形式向外太空輻射能量，地球表面物體向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體，這就是天空輻射制冷。基于不同氣體的綜合作用，大氣輻射主要集中在中紅外波段，如圖所示，大氣輻射在8～13μm波段內(nèi)是高度透明的，表現(xiàn)出明顯的光譜選擇性。

AM1.5太陽光譜及中遠(yuǎn)紅外區(qū)域大氣光譜透過率1.天空輻射制冷原理輻射制冷表面?zhèn)鳠徇^程Pnet-cooling=Prad－Patm－Psolar－Pnon-radiative

其中Prad表示輻射體表面的熱輻射；Psolar表示吸收的太陽輻射；Patm表示吸收的大氣輻射；Pnon-radiative表示非輻射得熱四、天空輻射制冷2.輻射制冷材料(1)夜間輻射制冷材料夜間輻射制冷指在夜間達(dá)到低于環(huán)境溫度的冷卻效果，寬譜和選擇性輻射材料均可實現(xiàn)這一功能;制冷材料一般可分為：聚合物；無機(jī)薄膜。(2)日間輻射制冷材料日間輻射制冷由于陽光照射會導(dǎo)致輻射體表面溫度升高，故輻射制冷材料需要對太陽輻射有很高的反射率（一般大于0.9）。國內(nèi)外研發(fā)出光學(xué)薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等多種材料，由于具有周期性的多層膜結(jié)構(gòu)光子晶體可強(qiáng)化“大氣窗口”波段的發(fā)射能力，有研究團(tuán)隊研發(fā)出一種由7層SiO2和HfO2組成的光子晶體（從外到內(nèi)依次為SiO2230nm、HfO2485nm、SiO2688nm、Ag200nm、Ti20nm、Si），其光譜特性如下頁圖所示2.輻射制冷材料(3)動態(tài)輻射制冷材料動態(tài)輻射制冷利用發(fā)射率可變的材料來實現(xiàn)加熱或冷卻需求變化時紅外輻射的自行調(diào)節(jié)；主要包括：熱致變色材料，電致變色材料，機(jī)械應(yīng)變響應(yīng)材料。近年來，我國學(xué)者開發(fā)了一種低成本、可擴(kuò)展的自適應(yīng)輻射制冷薄膜涂層，并實現(xiàn)了輻射制冷和太陽加熱涂層的溫度感知智能切換和大規(guī)模制備。某光子晶體材料的光譜特性四、天空輻射制冷3.輻射制冷的應(yīng)用(1)被動式建筑節(jié)能輻射制冷技術(shù)以天空作為冷源對建筑進(jìn)行降溫，將輻射制冷材料直接應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，尤其是高天空視域因子的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如屋頂，將帶來可觀的節(jié)能效果。(2)與太陽能集熱相結(jié)合的可調(diào)控利用將太陽能集熱技術(shù)與輻射制冷技術(shù)結(jié)合，以實現(xiàn)制冷與供熱模式切換，具有很大的建筑節(jié)能潛力。(3)光伏冷卻基于輻射制冷工作環(huán)境與光伏電池十分相似，并且可實現(xiàn)全天被動制冷的特性，國內(nèi)外提出了多種形式的輻射制冷與光伏電池綜合應(yīng)用。太陽能建筑一體化原理與應(yīng)用第十一章太陽能與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一體化光伏與建筑一體化是重要方式高層建筑多，屋頂面積有限建筑窗墻比越來越大，實體墻面不多玻璃表面占比越來越大薄膜光伏與玻璃結(jié)合（半透明）11.1太陽能建筑一體化概述（1）太陽能與建筑常見的結(jié)合形式11.1太陽能建筑一體化概述光伏玻璃窗、光伏幕墻已經(jīng)有較多實際工程應(yīng)用11.1太陽能建筑一體化概述（2）太陽能與建筑結(jié)合要求

1.應(yīng)合理確定太陽能利用系統(tǒng)各組成部件在建筑中的位置，并應(yīng)滿足所在部位的檢修的要求。2.建筑的體形和空間組合應(yīng)避免安裝太陽能集熱器、光伏板部位受遮擋，一般應(yīng)滿足太陽能集熱器和光伏板有不少于4h日照時數(shù)的要求。3.安裝太陽能集熱器和光伏板的建筑部位，應(yīng)設(shè)置防止集熱器、光伏板損壞后部件墜落傷人的安全設(shè)施。4.當(dāng)直接以太陽能集熱器和光伏板構(gòu)成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，集熱器、光伏板應(yīng)與建筑牢固連接，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)。11.1太陽能建筑一體化概述（3）集熱器與屋頂、墻體的結(jié)合形式1.有通風(fēng)空氣層的結(jié)合形式

2.無通風(fēng)空氣層的結(jié)合形式

玻璃蓋板空氣間層

吸熱板

流體管道保溫層

集熱器背板

建筑結(jié)構(gòu)層通風(fēng)空氣層11.1太陽能建筑一體化概述（4）光伏板與屋頂、墻體的結(jié)合形式1.有通風(fēng)空氣層的結(jié)合形式

圖11-3通風(fēng)光伏墻（屋頂）形式11.1太陽能建筑一體化概述（4）光伏板與屋頂、墻體的結(jié)合形式2.無通風(fēng)空氣層的結(jié)合形式

圖11-4不通風(fēng)光伏墻（屋頂）形式11.1太陽能建筑一體化概述（5）太陽能與透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合形式光伏玻璃的幾種構(gòu)造形式11.1太陽能建筑一體化概述（5）太陽能與透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合形式11.1太陽能建筑一體化概述圖11-5某光伏中空玻璃的構(gòu)造圖11-7通風(fēng)式光伏玻璃窗11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型圖11-8一體化墻體結(jié)構(gòu)傳熱原理圖（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱模型11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型圖11-8一體化墻體結(jié)構(gòu)傳熱原理圖（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱模型11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型（2）一體化結(jié)構(gòu)中集熱裝置性能的分析11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型11.2太陽能集熱與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)復(fù)合動態(tài)分析模型（4）一體化結(jié)構(gòu)的簡化分析方法集熱裝置運行模式下的簡化處理

集熱器不運行模式下的吸熱板溫度計算

簡化模型求解

11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

（1）光伏玻璃的數(shù)學(xué)模型圖11-11光伏玻璃與環(huán)境熱交換示意圖11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

（1）光伏玻璃的簡化模型忽略玻璃內(nèi)部的熱阻;假定一維傳熱，傳熱只沿著玻璃厚度方向.一維動態(tài)模型；只有兩個節(jié)點:PV玻璃節(jié)點和內(nèi)層玻璃節(jié)點11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

對

公式(3)微分，并把對dTg/dt代入公式1，得到:方程的求解11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

（2）光伏玻璃熱-電性能評估方法思路:建筑在供暖期和供冷期，均采用空調(diào)進(jìn)行供暖和制冷，且全天24小時開空調(diào)消除玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量。過渡季節(jié)不考慮。冬季得熱/熱損失：通過熱泵的COP轉(zhuǎn)換為產(chǎn)電量（或者耗電量）；得熱為正，失熱為負(fù)數(shù).夏季得熱：轉(zhuǎn)化為空調(diào)制冷系統(tǒng)消耗的電量，為負(fù)數(shù).凈產(chǎn)電量：

等效電法相比于把電折算成熱法的好處：

電力中水電、光電、風(fēng)電的占比不斷變化，火電占比在減?。徽鬯愠呻姼哂型ㄓ眯?/p>

能反映不同氣候條件下，制冷和制熱的代價不同11.3太陽能光伏玻璃窗的分析

（3）光伏玻璃與普通中空玻璃的應(yīng)用效果對比實測得到，光伏中空玻璃的傳熱系數(shù)分別為2.98W/(m2?K)

，太陽光直接透射比為9.8%，晴天