（工程热物理专业论文）太阳能供暖系统的研制.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 常规能源的大量消耗和日趋枯竭，已严重影响了人类社会的可持 续发展。太阳能作为开发和利用新能源的重要内容，有着巨大的社会 效益和环境效益。 本研究主要是设计一种太阳能供暖系统，为建筑冬季供暖。系统 主要由集热装置和蓄热装置两大部分构成，本文的研究集中于集热装 置。该系统的集热装置即太阳能空气集热器，用于吸收太阳能并将产 生的热能传递到传热工质空气。文章对集热器的结构进行了优化，并 对各个组成部分进行了设计和选择。通过理论分析，对吸热板的v 型 角进行了优化；通过实验研究、数值模拟对特定材料制造的透明蜂窝 的热性能进行了分析；集热器内部流场的优化通过数值模拟进行了验 证。 通过对集热器传热过程的分析，建立了导热微分方程和热网络 图，并在一定的简化条件下计算出了集热器的理论热效率。经热工计 算，求得实验用的建筑耗热量和需要集热器的面积。将设计的集热器 应用于供暖系统，通过实际测试验证系统供暖的效果。研究表明，当 供暖系统利用自然对流驱动空气流动时，效率低于5 0 ，其应用受到 一定的限制；当供暖系统利用倾斜加风机的模式工作时，是系统效率 最高的方法，对于空间不受限制的地方有着很好的效果；较为可行的 方案是系统垂直加风机的工作模式，实验结果表明，供暖系统基本上 达到了室内温度的设计要求1 6 ，满足了建筑耗热量。文章最后对整 个论文进行了总结。 关键词：太阳能空气集热器，v 型吸热板，透明蜂窝，供暖系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e c r e a s eo ff o s s i le n e r g ys o u r c e s t h em o d e ms o c i e t yi sf a c i n gs e r i o u s p r o b l e m a so n ei m p o r t a n tp a r to fe x p l o i t i n ga n du t i l i z i n gn a t u r a lr e s o u r c e s ，s o l a r e n e r g yh a si m m e n s es o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t t h em a i no b j e c to ft h i sp a p e ri st od e s i g nas o l a ra i rh e a t i n gs y s t e m ，w h i c hi su s e d i nh e a t i n gr o o m t h es y s t e mc o n s i s t so f t w op a r t sc a l l e dt h e r m a lc o l l e c t i n ge q u i p m e n t a n dt h e r m a ls t o r a g ee q u i p m e n t i nt h i st h e s i s ，t h et h e r m a lc o l l e c t i n ge q u i p m e n ti st h e p r i m a r ys t u d yc o n t e n t i nt h i ss y s t e m ，t h et h e r m a lc o l l e c t i n ge q u i p m e n ti ss o l a ra i rh e a t i n gs y s t e m ，w h i c h a b s o r b ss o l a re n e r g ya n dt r a n s f e r st h ee n e r g yt oh e a tt r a n s f e rf l u i d - a i r t h ew h o l e s t r u c t u r eo fc o l l e c t o ri so p t i m i z e d ，a n da l lp a r t sa r ed e s i g n e da n ds e l e c t e di nt h i sp a p e r f o re x a m p l e ，t h ea n g l eo fv - t y p ea b s o r b e ri so p t i m i z e dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，t h e t h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft r a n s p a r e n th o n e y c o m bm a d eo fs p e c i a lm a t e r i a li ss t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h eo p t i m i z i n go fi n t e r i o rf l o w f i e l di nc o l l e c t o ri sv a l i d a t e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n h e a td i f f u s i o ne q u a t i o n ，h e a te x c h a n g e rn e t w o r ka n dm a t h e m a t i c a lm o d e la r er e d u c e d a c c o r d i n gt oe n e r g yb a l a n c el a w , a n dt h eh e a tp e r f o r m a n c eo ft h ec o l l e c t o ri sc a r r i e d o u ti nt h e o r ya n de x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fc o l l e c t o r i sa b o u t6 9 i nt h e o r ya n da b o u t7 3 i ne x p e r i m e n tw h e nf l o wi st u r b u l e n ta i r , a n d t h ee r r o rc a l lb en e g l e c t e d t h ed e s i g n e dc o l l e c t o ri sa p p l i e dt ot h eh e a t i n gs y s t e mt oo b s e r v et h ee f f e c t t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h es y s t e me f f i c i e n c yi sl o w e rt h a n5 0 w h e nt h ec o l l e c t o r d e p e n d so nn a t u r a lf l o w , a n dt h ea p p l i c a t i o ni sl i m i t e di ns o m ee x t e n t ；t h es y s t e mh a s m o s th i g h e s te f f i c i e n c yw h e nt h ec o l l e c t o ri si n c l i n e da n dw i 血v e n t i l a t i n gd e v i c e a n d h a sw e l le f f e c ti nt h ep l a c ew i t h o u ts p a c el i m i t a t i o n ；i na u t h o r so p i n i o n ，t h ef e a s i b l e m e t h o di st h a tt h ec o l l e c t o ri sv e r t i c a la n dw i t hv e n t i l a t i n gd e v i c ea tp r e s e n t t h es t u d y i n d i c a t e st h es y s t e ms a t i s f i e st h ed e s i g ns t a n d a r dt h a tt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e1 6 。ci n r o o m a tl a s t ，t h et h e s i sh a sas u n l u po f t h ew h o l es t u d ya n daf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：s o l a ra i rc o l l e c t o rv - s h a p ea b s o r b e rt r a n s p a r e n th o n e y c o m b h e a t i n gs y s t e m 【i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密留。 学位论文作者签名：骧瘸讳 h 年月土日 指导教师签名：彦丝 加年6 月乙日 独创性声明 y 1 0 】3 8 6 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：段渍啼眵 日期：2 0 6 年月2 - 日 江苏大学硕士学位论文 第一章概述 能源是人类社会存在和发展的物质基础。以煤炭、石油、天然气为主的化石 能源体系极大地推动了人类社会的发展。但常规能源的大量使用，已造成地球生 态环境的严重破坏；常规能源的日益枯竭，严重影响了人类社会的可持续发展。 因此，人类必须寻找一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统，以替代不 可再生的化石能源体系。在这样的历史背景下，太阳能、风能、海洋能、生物质 能、原子能等新能源和可再生能源的发展，提到了人类可持续发展的战略议程上 来。 太阳能的开发和利用是开发和利用新能源和可再生能源的重要内容。太阳能 具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、可开发利用范围广、无需开采和运输、不 污染环境、不破坏生态环境等特点。因此，太阳能的开发和利用有着广阔的市场 前景，它不仅会带来良好的社会效益和环境效益，而且会带来巨大的经济效益。 1 1 太阳和太阳能 一、太阳基本知识 太阳是距离地球最近的一颗恒星， 分为大气和内部两大部分。太阳大气的 结构，由里向外分别为光球层、色球层、 日冕层。太阳内部的结构由内向外依次 为产能核心区、辐射层和对流层3 个范围 非常广阔的区带。太阳结构示意图如图 卜l 所示。图卜1 太阳结构示意图 地球与太阳的平均距离为1 5 亿千米，直径为1 3 9 万千米，体积为 1 4 1 2 2 x 1 0 ”k m 3 ，质量为1 9 8 9 2 x 1 0 2 7r ，平均密度为1 4 1 9 c m 3 。 由于太阳核心的热核反应，太阳一刻不停地向外界发射出巨大的光和热。太 阳表面温度为5 4 9 7 ，中心温度高达15 0 0 万20 0 0 万，中心密度高达 1 6 0 9 c m 。 二、太阳能 太阳主要是以辐射的形式向广阔无垠的宇宙传播它的热量和微粒的，这种传 播的过程就称为太阳辐射。太阳辐射分为两种。一种是从太阳表面发射出来的光 辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所用又叫电磁波辐射。这种辐射由可见 光和人眼看不见的不可见光组成。另一种辐射是微粒辐射，它是由带正电荷的质 江苏大学硕士学位论文 子和大致等量的带负电荷的电子以及其它粒子所组成的粒子流。微粒辐射平时较 弱，能量也不稳定，在太阳活动极大期最为强烈，对人类和地球高层大气有一定 影响。但是，一般来说不等它辐 射到地球表面上来，便在漫长的 目她路途中逐渐消失了。所以不 会给地球带来什么热量。 太阳辐射的主要能量集中 在0 2 2 p m 的波长范围，其中 可见光区域占有很大比重。包括 太阳辐射在内，热辐射的波长区 段为0 1 1 0 0 u m ，如图卜2 所示 1 。 j 一曼一 一x 射壤絮辫缝 鞋滚 职 ：一 ，3 l 穗彩务甥糕焉 。” 嬲笏殇刎 o e l e “1 0 1l e ll e 51 妒 mm 醢畦 。_ 霜 图1 - 2 电磁波的波谱 在地球大气层的上界，由于不受大气的影响，太阳辐射能有一个比较恒定的 数值，这个数值就叫做太阳常数。它是指在日地平均距离时，在地球大气层的上 界，在垂直于太阳光线的平面上，单位时间内在单位面积上所获得的总太阳辐射 能的数值。太阳常数1 3 5 3 w m z 。 图卜3 中国太阳能资源 太阳能资源的分布具有明显的地域性。中国是太阳能资源相当丰富的国家， 具有开发利用太阳能得天独厚的优越条件。根据太阳能年曝辐射量的大小，可将 中国划分为4 个太阳能资源带，如图1 3 所示。这4 个太阳能资源带的年曝辐射量 2 江苏大学硕士学位论文 指标，如表卜1 所示。 表卜1 太阳能资源带的分类 资源带号资源带分类年曝辐射l ( m j m 2 ) i资源丰富带6 7 0 0 i i资源较丰富带5 4 0 0 6 7 0 0 i i i资源一般带4 2 0 0 5 4 0 0 i v资源缺乏带 4 2 0 0 1 - 2 太阳能热利用综述 太阳能是一种可持续利用的清洁能源，太阳能热利用是将太阳短波辐射直接 转换为热能的利用方式。在寻求人类社会持续发展的进程中，太阳能热利用是太 阳能利用中最成熟的技术，也日益受到世界各国的重视。在过去的1 0 0 年间， 人们对各种太阳能热利用方式进行了广泛的探索，主要领域包括：太阳能热水器、 采暖、空调、干燥、海水淡化、太阳灶、热发电等。近年来，太阳能热水器、太 阳能建筑等利用项目发展迅速，规模逐渐扩大。 到目前为止，太阳能热利用主要集中在低温热利用领域，如太阳房、太阳 集热器。在今后相当长的时间内，低温太阳能热利用仍将是太阳能技术应用的 主流。 太阳能热利用最重要的技术突破是，1 9 5 5 年以色列t a b o r 2 提出了光谱选 择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。选择性吸收涂层是 一种具有对可见一近红外光高吸收、对红外光高反射的特种涂层。这项技术的 发明，为太阳能热利用进入现代发展时期奠定了技术基础。 本文研究的是一种能够与建筑很好地结合的太阳能供暖系统，系统的太阳 能集热器为平板型空气集热器。下面将分别介绍太阳能集热器、太阳能建筑以 及国内外太阳能建筑( 主动式太阳房、被动式太阳房) 的发展现状。 一、太阳能集热器介绍 太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置，是太 阳能供暖系统的的关键部件，用于吸收太阳能并将产生的热能传递到传热工质。 太阳能集热器可以用多种方法进行分类，主要分类有以下几种： ( 1 ) 按集热器的传热工质类型分类 液体集热器( 用液体作为传热工质) 、空气集热器( 用空气作为传热工质) 液体集热器一般用水作为工质，也就是太阳热水器，是目前太阳能热利用中 最重要的一种方式，其商业化程度也最广，应用范围广泛，如洗浴、供暖等，发 展前景广阔。 太阳能空气集热器是一种常用的太阳能热利用装置，可用于建筑物供暖、农 江苏大学硕士学位论文 产品干燥以及太阳能制冷等领域。这种集热器主要由透明盖板、吸热板、保温壳 体三部分组成，结构简单成本低廉，而且接收太阳辐射的面积大。 ( 2 ) 按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类 聚光型集热器、非聚光型集热器 聚光型集热器是利用反射器、透 镜或其它光学器件将进入采光口的 太阳辐射改变方向并会聚到吸热体 上的太阳集热器。聚光型集热器主要 应用于太阳能中高温热利用领域，如 太阳能热发电、太阳灶等。图1 - 4 为 一抛物镜聚光型集热器。 非聚光型集热器是进入采光口 的太阳辐射不改变方向也不集中射 到吸热体上的太阳集热器。图1 4 抛物镜聚光型集热器 ( 3 ) 按集热器内是否有真空空间分类 平板型集热器、真空管集热器 平板型集热器的发展较真空管集热器发展要早，应用范围广泛。但由于材料 的限制，近年来发展较为缓慢。 真空管集热器是2 0 世纪8 0 年代逐渐发展起来的，由于其卓越的集热性能和 耐候性，其市场已远远超过了平板型集热器。真空管集热器分为全玻璃真空管集 热器和热管式真空管集热器。 全玻璃真空集热管一端开口，另一端密闭成半球行圆头，内玻璃管和外玻璃 管之间的夹层抽出高真空，内玻璃管的外表面涂有选择性涂层吸收太阳辐射，内 玻璃管内的水温度升高后依靠自然对流进入保温水箱。 123 逛醪 ：慌景吸能：瓣外黼4 3 透明盖板外壳 丹工缸山开只 鬲“垌” 图1 5 平板集热器图1 - 6 全玻璃真空管集热器 热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种，主要由热管、金属吸热 板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架和消气剂等部分组成。工作时，太阳辐射穿 4 江苏大学硕士学位论文 过玻璃管后投射到金属吸热板上，金属板将热量传导给热管，热管内工质迅速汽 化，工质蒸气上升到热管冷凝段后，在较冷的内表面凝结，释放出蒸发潜热，将 热量传递给集热器的储热工质，凝结后的液态传热工质依靠自身重力流回到蒸发 段，然后重复上述过程。图1 5 、1 - 6 分别为平板集热器和全玻璃真空管集热器 的结构示意图。 根据系统的实际需要，本文的研究的是一种能够与建筑很好地结合的供暖 系统，系统的太阳能集热器为平板空气集热器。下面就国内外太阳能建筑( 主 动式太阳房、被动式太阳房) 的发展和现状进行说明。 二、太阳能建筑 太阳房是人类利用太阳能的最早的形式之一，也是目前太阳能采暖的重要应 用方案，其应用已经有很长的历史。但是，对于太阳房有目的的科学研究和设计， 直至w j 2 0 世纪3 0 年代才开始。1 9 3 1 年，美国麻省理工学院建立了世界上第一座以太 阳能采暖为目的的太阳房。之后，世界上出现了各种类型的太阳房，功能也日趋 完善，如采暖、空调、照明等。在各类太阳房中，绝大部分还是以采暖为主要目 标。 通常所说的太阳房，是利用太阳能进行采暖和空调的环保型建筑，它不仅能 满足建筑物在冬季的采暖要求，而且在夏季也能起到降温的作用。太阳房的推广 应用对于节约常规能源、减少环境污染、改善人们的生活水平具有十分重要的意 义。 太阳房主要包括两种类型：主动式太阳房和被动式太阳房。 图1 - 7 主动式太阳房 ( 1 ) 主动式太阳房 辅助热源 图卜8 被动式太阳房 主动式太阳房与常规能源的采暖的区别，在于它是以太阳集热器作为热源替 代以煤、石油、天然气等常规能源作为燃料的锅炉。主动式太阳房主要设备包括： 江苏大学硕士学位论文 太阳集热器、储热装置、辅助热源以及管道、阀门、风机、水泵、控制系统等部 件。如图卜7 为一主动式太阳房示例。 ( 2 ) 被动式太阳房 被动式太阳房的特点是不需要专门的集热器、热交换器、水泵( 或风机) 等 主动式太阳房中所需的部件，只是依靠建筑方位的合理布置，通过窗、墙、屋顶 等建筑物本身构造和材料的热工性能，以自然交换的方式( 辐射、对流、传导) 使建筑物在冬季尽可能多吸收和储存热量，以达到采暖的目的。图卜8 为一被动 式太阳房示例。 三、太阳能建筑的国内外进展 ( 1 ) 国外太阳能建筑进展 北美 作为世界上能源消耗最多的国家，无论是对太阳能建筑的研究、设计优化， 还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及真正形成商业运作的房地产开 发，美国均处于世界领先地位。 2 0 世纪3 0 年代，美国麻省理工学院( m i t ) 就开始了太阳房的试验研究， 先后建成5 种主动式和被动式试验太阳房。1 9 3 1 年，m i t 建立了世界上第一座 以太阳能采暖为目的的太阳房。1 9 4 7 年，m i t 又建造了一幢采用外墙蓄热取暖 的住宅。 1 9 4 9 年，世界上第一座完全由太阳能取暖的房子在美国麻省多佛市建成， 被称为多佛太阳房。它的第二层楼整个南面布满了双层玻璃空气集热器，吸热板 是涂了黑漆的镀锌钢板，玻璃之间被加热的空气送到集热箱中。利用集热箱储存 的热量，完全能满足整个房间的冬季取暖。 8 0 年代初，墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室又在d b a l c o m b 博士领导下， 对被动式太阳房的热工性能进行了系统研究，编写了设计手册，为被动太阳房设 计奠定了科学基础。由于被动太阳房结构简单，所附加的建材对建筑造价增加不 多，而且维修量小，节约燃料可观等优点，受到人们的青睐。到1 9 8 2 年美国建 成了约8 万栋太阳房，2 0 世纪9 0 年代增加到2 5 万栋，平均初投资增加1 0 1 5 ，而节约燃料5 0 8 0 。 到7 0 年代以后，又有华盛顿近郊的托马森太阳房和科罗拉多州丹佛市的洛 夫太阳房等主动式太阳房的示范建筑建成。这些太阳房的成功运行，说明太阳能 供热、空调系统在技术上是完全可行的，但由于投资较大，推广普及程度不及被 动式太阳房。直到进入9 0 年代，由于开发出更加高效的太阳集热器和吸收式制 冷机、热泵机组，应用范围才得以扩大。 2 0 世纪7 0 年代中期，美国o w e n s 公司首先研制开发出全玻璃真空集热管， 6 江苏大学硕士学位论文 极大地促进了太阳能热利用的发展。目前在北美，利用太阳能为建筑供暖初步实 现了商业化，较为出名的有美国佛蒙特州的r a d i a n t e c 公司的供暖系统( 以水为 工作介质) 和加拿大多伦多c o n s e r v a le n g i n e e r i n gi n c 的s o l a r w a l l 供 暖系统( 以空气为工作介质) ，两种系统以其可靠的技术、良好的性能在太阳能 供暖领域享有盛名。如图1 9 和1 - 1 0 。 图i - 9r a d i a n t e c 供暖系统 图1 1 0s o l a r w a i ，l 供暖系统 熏 江苏大学硕士学位论文 欧洲 2 0 世纪7 0 年代，欧洲也广泛开展了利用太阳能建筑节能的研发。1 9 6 7 年， 法国国家科学研究中心太阳能研究室主任菲利克斯特朗勃教授，提出了一种带 蓄热墙的太阳房，国际上一般称这种墙为“特朗勃墙”( t r o m b ew a l l ) ，其工作 冬季夏季 。 图卜1 l 特朗勃墙工作原理 原理如图1 - 1 1 所示。后来，在实用中，建筑师米谢尔又做了不少工作，所以在 太阳能界也称之为“特朗勃一米谢尔墙”。法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转 化为实际应用的第一个样板房。这种蓄热墙式的太阳房已在许多国家得到推广。 利用太阳能的低能耗建筑的研究列入了国际能源署( i e a ) 第1 3 项研究攻关 任务，由1 5 国科学家联合攻关，以新技术、新材料和新部件开发未来先进的太 阳能低能耗建筑。主要攻关有以下几个方面：( 1 ) 透明隔热材料( t i m ) 的应用； ( 2 ) 先进的隔热窗户系统；( 3 ) 各式热泵系统；( 4 ) 太阳能电池作屋面板；( 5 ) 电脑节能优化控制。采用以上新技术、新材料和新部件的太阳能试验房，其设计 的能耗指标是年采暖常规能耗为2 5 k w h r e ( 建造面积) ，总能耗5 0k w h m 。 德国a e g 公司开发的太阳能主动式和被动式相结合，加之附有能量回收系统 的电脑智能化试验房“s m a r th o u s e ”，比现在建筑节能7 0 左右。北欧的斯堪 迪纳维亚地区以加强建筑的保温为主，发展“零能耗房”。 日本 日本在主动式太阳房的研究应用领域也处于世界前列。1 9 7 4 年日本通产省 制定了“阳光计划”，并按此计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，如 矢崎实验太阳房。而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已 应用于大型建筑物上。比较有名的是日本株式会社o m 太阳协会，该协会创业 于1 9 8 7 年，总部设在日本浜松市。o m 太阳协会本着利用太阳能，为人们提供 健康舒适居住环境的理念，研究发明了具有冬季室内采暖、新风换气、夏季通风 制凉、兼供热水的o m 太阳能系统；并成功开发了太阳能住宅智能控制系统、 计算机模拟设计软件s u n s o n s 和住宅性能自动测试等高新技术，积累了大量世 江苏大学硕士学位论文 界领先的太阳能利用专利和技术。迄今为止，o m 太阳能系统已为世界各地2 万 多栋各种用途和规模的建筑所使用，其优异的性能已在日本、美国及中国的建筑 中得到了验证。 ( 2 ) 国内太阳能建筑与热利用进展 中国的太阳能热利用技术研究开发始于2 0 世纪7 0 年代，重点研究简单低廉 的中温热利用技术，如太阳热水器、被动太阳房、太阳能温室、太阳灶和太阳干 燥器。这类技术的推广主要在农村，为缓解农村能源短缺起到了积极作用。 在国内，太阳热利用的主要方式是太阳能建筑( 主要是被动式太阳房) 和太 阳热水器。 1 9 7 7 年，在甘肃民勤县我国第一栋被动太阳房建成 3 。目前，国内已经建 造了超过1 0 0 0 万m | 的太阳房，这些太阳房绝大部分为被动太阳房，主动太阳房的 发展较为缓慢。表1 2 为中国太阳房发展概要。 表卜2 中国太阳房发展 时间1 9 8 5 年1 9 9 1 笠1 9 9 5 年2 0 0 0 住 太阳房面积9 8 万m 25 0 万m 27 4 0 万m 29 7 8 万m 2 2 0 世纪8 0 年代，太阳热水器列入国家的“六五七五”科技攻关项 目，主要研制高效平板集热器和全玻璃真空集热管。 1 9 8 4 年清华大学殷志强f 3 】成功研制出中国首支具备“a l n a l ”技术的真 空集热管，首创用单个铝阴极通过磁控溅射制各红外低发射铝底层、铝一氮化铝 吸收太阳光的陶瓷薄膜和氮化铝减反膜三部分，使溅射设备构造简化，阴极材料 利用率提高。这种涂层将太阳光的9 3 转化为热，而热发射只有5 。这项核心 技术的突破，为产业化奠定了基础。 1 9 8 6 年我国引进了加拿大的铜铝复合平板集热器生产线，并自行研制了与 之配套的阳极氧化选择性涂层的生产线。 1 9 9 4 年形成了自行设计和配套的全玻璃真空集热管生产线。 1 9 9 6 年北京太阳能研究所与德国d a s a 公司合资建立了热管式真空管集热 器生产厂，实现了规模化生产。 目前，国内已经安装了超过6 4 0 0 万m i 的太阳热水器，主要用于家庭洗浴， 并未用于建筑供暖。因此，不能将安装了太阳热水器的建筑称为太阳房。 从】9 9 6 年太阳热水器厂商开始与建筑行业结合，促使太阳热利用与建筑的 一体化成为可能。目前在江苏、浙江、安徽、山东、北京等地，已经有许多太阳 热利用与建筑一体化的试点和示范。 随着太阳热水系统的成功开发利用，进一步开发太阳能热水、采暖和空调的 综合系统，扩大太阳热利用的范围提到日程上来。太阳能热驱动的空调系统列入 9 江苏大学硕士学位论文 国家攻关项目。1 9 9 6 年广东江门5 0 0 时平板集热器和1 0 0 阿两级溴化锂吸收式 制冷系统建成，1 9 9 9 年山东乳山净吸热面积3 6 4m 2 和一台溴化锂吸收式制冷机 组建成。这些系统取得了有价值的结果，但其经济性有待进一步评估。 近年来，国内在太阳能热利用方面逐渐加强了研究，国内的研究重心是太阳 热水器。在太阳能建筑方面，也取得了一定进展，国内许多科研机构正致力于与 太阳能供暖相关的研究，例如： a j e 宜直态圈自班宜逝：平板式和真空管式太阳能热水系统。 b 虫抖瞳亡赳能源逝：独立的绿色能源系统一太阳能制冷、供热联合系统， 太阳光谱选择性吸收薄膜的结构与性能。 c ，圭型睦王蕉垫塑堡班窒匝：太阳能热水器、用于蓄能式太阳能建筑的太 阳能集热系统研制及热性能研究。 d 睑筮送王些太堂堑能源压：无冻蓄热式太阳能供热装置、跨季储存太阳 能供热系统。 e 生国抖堂撞苤盔堂：高效太阳能利用透明蜂窝的研制、性能优化和应用 研究。 f e 篷变通太堂：同时制冷和制热的太阳能冷管。 1 - 3 太阳能建筑面临的问题及相应对策 太阳能产业是一个新兴产业，市场前景广阔。目前，国内的太阳能热利用主 要集中于热水器，中国已成为世界上最大的热水器生产地和市场。相对于热水器 的快速发展，太阳能建筑供暖发展缓慢，太阳能建筑供暖产品的研发处于起步阶 段。太阳能建筑的发展面临的主要问题包括： ( 1 ) 太阳能行业与建筑行业没能很好地结合，缺乏设计规范和验收评价标准； ( 2 ) 现有的太阳房大部分为被动式，冬季室温偏低( 约1 4 、1 5 = c ) ，夏季不 能有效解决降温问题； ( 3 ) 太阳房的建造需要从地基开始盖起，不适于现有民房或商用房的改造。 尽管太阳能建筑的发展还面临许多问题，但我国的太阳能建筑有巨大的应用 需求，存在着巨大的市场前景。为了尽快使太阳能建筑发挥节能环保的巨大效益， 走向市场化，太阳能建筑的研发应着重以下几个方面： ( 1 ) 研制高效率的太阳能供暖系统，主要是研制适用于采暖的太阳集热器， 采用新型的透明材料和隔热材料，提高集热效率，减少热损失； ( 2 ) 研制新型储热材料和技术，将白天富余太阳能存入蓄热装置，以供夜 间使用； ( 3 ) 在尽可能不改变现有建筑的基础上，将太阳能供暖系统与现有建筑结 合，改造成主动太阳房，摆脱传统的太阳房必须从地基盖起，不能将现有的民 1 0 江苏大学硕士学位论文 房或商用房改造成太阳房的弊病。 1 - 4 本课题的主要工作 本课题的主要工作包括： ( 1 ) 通过理论分析研究吸热板最佳v 型角。 本文研制的是一种太阳能供暖系统，系统最主要的部分是太阳能空气集热 器，文章的研究重点也是太阳能集热器的设计。v 型吸热板是集热器的吸热部分， 其结构对集热器效果起着非常重要的作用。因此，本研究对v 型板进行了优化设 计，从理论上分析出了v 型角的优化值，并根据实际情况制造了v 型角为9 0 。的吸 热板。 ( 2 ) 通过数值模拟、试验对比对蜂窝的热性能和光学性能进行研究，寻求 蜂窝的最佳结构；从透光性、保温性、耐候性、强度及经济性等方面考虑，对透 明盖板进行选择。 太阳能集热器的热损失主要通过集热器的顶部散失，采用蜂窝的目的是减少 集热器热损失，提高集热器的热效率。文章通过数值模拟的方法对蜂窝的性能进 行了研究，并指出了较优的结构，并对特定材料制造的蜂窝的性能进行了对比。 太阳能集热器的材料是系统长期运行的保障。本文通过实验对各种盖板的性 能进行了对比，选择了以阳光板和玻璃钢为实验材料的盖板。并根据实验的需要 对吸热板、保温材料等进行了选择。 ( 3 ) 从理论上对太阳能空气集热器的热性能进行分析，并从实验上对理论 值进行验证。 文章通过理论分析、数值模拟、实验对比的方法对集热器的热性能进行了详 细的分析。优化了集热器的流场，使吸热板与流动空气的换热达到较好的效果； 通过数值模拟的方法对优化的流场进行了验证：通过理论分析对集热器的各个传 热过程进行了研究，这对改进集热器的性能其中重要作用；通过实验对集热器的 热效率与理论值进行了对比。 ( 4 ) 太阳能供暖系统的实际应用。 将设计的太阳能集热器应用于供暖系统，与普通建筑结合改造成主动太阳 房。在特定的外界条件下，通过给太阳房供暖以对系统的可行性进行分析。第二 章给出了太阳能供暖系统的设计方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章太阳能供暖系统的设计方案 本论文研究的目的是研制一种高效的太阳能供暖系统，与现有的建筑结合， 将其改造成主动式太阳房，解决冬季的供暖问题。本章对太阳能供暖系统的工作 原理及构造进行了说明，并对v 型吸热板的结构进行了优化设计。 2 - 1 太阳能供暖系统的设计 参照国内外太阳能建筑技术，我们设计了一种新的主动式太阳能供暖系统。 该系统是利用成熟的传热学理论，采用平板集热器的吸热原理，以空气为主要工 作介质的装置，主要分为集热、蓄热两部分。 系统的集热装置为太阳能平板集热器，由透明盖板、蜂窝、v 型吸热板、框 架、保温材料等部分组成。根据传导、对流、辐射的传热特性，从材料和结构上 进行优化组合，在太阳辐射下产生高温空气供室内采暖。 系统的蓄热装置由散热器、无机相交蓄热材料、保温装置等组成。相变材料 在7 0 c 左右发生固液两相转变，利用3 0 0 k j k g 的高储热量适时蓄热和放热。 供暖系统的主控机体由风机、空气风门、温度监测仪等部件组成。根据需要 设置供热、蓄热功能，为室内提供合适温度的空气。 系统的研究分为两步，第一步，研究集热装置，首先解决建筑的白天供暖； 第二步，研究蓄热装置，将集热、蓄热装置结合以解决建筑全天2 4 d x 时的供暖问 题。本文研究的主要是第一步，首先解决建筑的白天供暖。其应用范围包括学校、 厂房等需要白天供暖的建筑。图2 1 为太阳能供暖系统与普通建筑结合的示意图， 其工作原理如下： 图2 1 太阳能供暖系统示意图 当太阳照射到太阳能空气集热器时，集热器吸热板吸收热量，温度升高，风 江苏大学硕士学位论文 机开始工作，新鲜空气从室外进入到集热器，与吸热板进行换热，空气温度升高， 进入到散热管道，然后经过风机进入到室内。其中空气吸收的热量一部分通过散 热管道散热到室内，另一部分通过热空气直接携带进入室内。 下面就太阳能供暖系统的各个组成部分进行说明。 2 2 太阳能空气集热器的设计 从系统运行方式对建筑物采暖影响的角度分析，太阳能空气集热器相对于液 体集热器具有以下优点： ( 1 ) 空气热容较小，很快可以获得热空气； ( 2 ) 以空气直接为工作介质，避免了多种工作介质之间的传热过程，系统 紧凑简洁； ( 3 ) 空气集热器不会引起腐蚀，即使有一定的泄漏也不会引起危险； ( 4 ) 不存在工作介质的冷冻问题； ( 5 ) 集热器内部压力不会过高。 根据实际要求，太阳能集热器工质采用空气，结构包括透明盖板、蜂窝、v 型吸热板、框架、保温材料等部分。 当太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射到吸热板上，被吸 热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给传热工质，使传热工质的温度升高， 作为集热器的有用能量输出。与此同时，温度升高后的吸热板不可避免地要通过 传导、对流和辐射向周围散热。 下面分别对集热器的各个组成部分的设计进行说明。 一、吸热板的设计 在设计集热器的吸热板时，吸热板换热面积彳、吸热板与流动空气之间的 对流换热系数玩是影响集热器效率的两个重要参数。增大彳。和 。可以提高吸热 板与流动空气的换热，增加太阳能的有效利用率。另一方面，吸热板表面积( 如 加肋片) 的增加提高了太阳能空气集热器内部的压力降，增加了功耗，影响了集 热器的效率。 v 型吸热板集热器( 如图2 2 ) 具有辐射特性好、空气流道换热系数高等优 点。v 型吸热板一方面可以有效增加空气与吸热板的换热面积：另一方面由于v 型结构的二次反射和吸收，增加了吸热板对太阳辐射的吸收。目前对这种集热 器的研究还很不完善，下面对有代表性的研究加以概括。 赵锡伟 4 在e l s h e r b i n g 等人实验研究的基础上，在较为广泛的几何及热力 参数变化范围内，利用无量纲涡量一流函数差分方程，对v 型板与平板间空气夹 江苏大学硕士学位论文 流道吸热扳盖扳 瓜弋彳八 0 ：07 i 。一一囊j i o j ：。二簟0 。| ：一：0 0 。：分t ? ：童一 名部 宋渝联 图2 2 带v 型吸热板的集热器 层的自然对流换热进行了计算机模拟计算，给出了对流换热的参考值；赵锡伟 5 还对v 型板的辐射特性进行了研究，并建立了v 型板的镜漫反射混合模型，求出 了任意v 型角度下漫射吸收率、长波辐射率及不同入射角的直射吸收率。g a m a 6 等人对选择性玻璃盖板的v 型板集热器进行了研究，指出：随着v 型角的增加集 热器效率降低；选择性吸热板与玻璃盖板组合，集热器的效率可明显提高。张珂 理 7 对v 型板多孔体空气集热器进行了研究，实验结果显示，v 型角为9 0 。的 v 型板多孔空气集热器效率略高于6 0 。的集热器，v 型角为1 5 0 。的集热器效率 低于前两种约7 8 ，但研究没有给出优化的v 型角。 吸热板的结构设计对集热器的效率起着关键作用。本文对v 型板的研究主要 是对v 型角度进行优化，从理论上分析最佳的v 型角( 未考虑辐射) 。 在吸热板高度h 一定的条件下，角度5 影响者彳，和对流换热量，因此，在v 型吸热板的设计中，最重要的是找到优化的角度。z 定义为吸热板的吸热面积与 吸热板的垂直投影面积之比。本节研究等腰三角形角度占变化对压力降的影响， 对吸热板与流动空气传热的影响和优化的三角形角度。而且，这项工作可以评估 集热器效率因子的一般性方程。 ( 1 ) 压力系数与三角形角度艿的关系 如果假定三角形底角为万，顶角为e ，三角形高度为且那么三角形三边的 长度分别为日，s i n 万，h s i n 占，2 h t a n 万。 压力降可以从下面的关系中计算 8 ： 望：，土一v l f 2 1 1 户。d 埘2 。 p 为空气经过v 型吸热板的压力降，p 为空气密度，为沿程阻力系数， v 为空气流速，皖。流道的当量直径，上为v 型板的流道长度， c p 称为为压力 系数。 1 4 江苏大学硕士学位论文 - 垒l ：，三 妥洲2 d e q ，一1 3 - 2 5 1 3 2 5 , u r t雕d g d “为空气的动力粘度， 矿参- 【等怯1 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 比：_ 4 a ：_ 2 h c _ o s 8 ( 2 4 ) 2 r 2 丽 。铲4 j a 为面积，l p 为湿周长。把方程( 2 4 ) 代入方程( 2 5 ) 一1 3 2 5 肛 。口一 pv n + c o s s ) 2 4 h 2c o s 2 占 j i ? ? f 0 1 02 0 3 04 05 06 07 08 0 9 0 三角形角发 图2 3 三角形角度万与压力系数的关系 ( 2 5 ) 旷印篙等，辄。= 等为撇 从图2 - 3 中可以看出，压力系数随角占的增加而增加。在角度达到9 0 。时 达到最大值。 ( 2 ) 三角形角度对集热器获得的有用热量的影响 上筹文 生 江苏大学硕士学位论文 努谢尔数与雷诺数之间的关系可表示为 n u = c ( r e l ” ( 2 6 ) n 为大于0 的常数。将n u 和r e 的公式带入式2 - 6 得： 一h ：d , q ：。f 盟丫( 2 - 6 a ) k l 其中，4 。是总的吸热表面积，对i m 宽度的集热器爿。= l 鲁l ，h c 为吸热 c o s d 板与流动空气的换热系数，a t 为吸热板与空气的温差。 七魄p ( 2 _ 7 ) 将式2 - 4 代入2 7 得 。= = c 七( 詈 ”( z t r 广一l c o s 8 1 ”一1 c z s ， 一。= c ，。+ c o 。s 。8 。占，1 ”，其中q = c 七( 管 “( 2 u y i 。1 为常数。 空气与吸热板的换热量可用下式表示 q 。= h c a 。a t ( 2 9 ) 方程2 - 9 可改写为 圹c 。( 羔 ”( 去 ， 1 1 q u c 2 1 2 有用 热能1 0 | 。 l | i 一一 r o 1 0柚曲抽 i k i 三角形角度 图2 4 三角形角度与空气获得有用热量的关系 1 6 江苏大学硕士学位论文 如果丁在所有角度时假定为常数，也就是说， 日。粤噪(2-11=c2 ) 吼赤斋 其中 c ：= c l l a t = c _ f 竺i ( 2 日y 。l a t ( 2 一1 2 ) l 从方程( 2 一儿) 可以看出，在相同温差下随角6 的增加，集热器获得的有用热 量逐渐增加。 以下面的方程为例 8 ，该关系式是从实验中得来的 n u = o 2 3 7 ( r e ) o ” 也就是说n = 0 5 3 。把i 1 代到方程( 1 1 ) 中 圹。：粤掣( 2 - 1 3 ) 吼引：蒜斋 三角形角度与获得的有用热量变化之比的关系如图2 - 4 所示。从图2 4 可以 看出，增加角度可以增加获得的有用热量，但同时也增加了集热器内的压力降， 增加了功耗。 ( 3 ) 三角形集热器角度的优化 在优化的角度下，获得的有用能与压力系数之比为最大值。 丝：m a x ( 2 一1 4 ) c p 也就是说，旦堕型：o ( 2 一1 5 ) 从方程2 - 5 ，2 - 1 3 和2 一1 5 可得： 丝：垒。型( 2 - 1 6 ) c pc 1 一( 1 + c o s 8 ) n “ 。 在d b 。勺) d 万= 0 时，有用能达到最大值，从方程( 2 1 6 ) 可以得到下面的关 系式： _ 1 + c o s 6 ：! 盟，求得c o s 艿：n ，因此 5 = c 0 s 一n ( 2 - 1 7 ) 从方程( 2 1 7 ) 可以看出，三角形的优化角度依赖于雷诺数的指数n ；即在强 迫换热系数下，n 从o 5 到0 6 时，从方程( 2 一1 7 ) 可以得到优化的角度为5 0 0 到 6 0 0 。那么v 型角的角度为6 0 0 到8 0 0 。 考虑v 型角的