第二章太陽(yáng)能熱利用(1)太陽(yáng)能分析

1、1太陽(yáng)能利用技術(shù)太陽(yáng)能利用技術(shù)王一平 天津大學(xué)化工學(xué)院2015-3-192調(diào)課建議調(diào)課建議l經(jīng)與教務(wù)處協(xié)商，在不影響總教學(xué)時(shí)數(shù)經(jīng)與教務(wù)處協(xié)商，在不影響總教學(xué)時(shí)數(shù)的情況下，太陽(yáng)能利用技術(shù)課程可以由的情況下，太陽(yáng)能利用技術(shù)課程可以由每次課每次課2 2學(xué)時(shí)調(diào)整為學(xué)時(shí)調(diào)整為3 3學(xué)時(shí)，提前到第十學(xué)時(shí)，提前到第十一周結(jié)課。同學(xué)們意下如何？一周結(jié)課。同學(xué)們意下如何？3第二章第二章 太陽(yáng)能熱利用太陽(yáng)能熱利用2.1太陽(yáng)能傳熱基本理論太陽(yáng)能傳熱基本理論2.2太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器2.3太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能熱水器2.4太陽(yáng)灶和太陽(yáng)能干燥太陽(yáng)灶和太陽(yáng)能干燥41.1.傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)2.2.建筑傳熱基礎(chǔ)建筑傳熱基

2、礎(chǔ)5傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)6789101112131415建筑傳熱基礎(chǔ)建筑傳熱基礎(chǔ)16（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱作用過(guò)程：無(wú)論是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱傳濕還是室內(nèi)產(chǎn)熱產(chǎn)濕，其作用形式包括對(duì)流換熱（對(duì)流質(zhì)交換）、導(dǎo)熱（水蒸汽滲透）和輻射三種形式。對(duì)流換熱對(duì)流換熱(對(duì)流質(zhì)交換對(duì)流質(zhì)交換)輻射輻射導(dǎo)熱導(dǎo)熱(水蒸汽滲透水蒸汽滲透)17l 得熱(Heat Gain HG)：某時(shí)刻在內(nèi)外擾作用下進(jìn)入房間的總熱量叫做該時(shí)刻的得熱。如果得熱0，意味著房間失去熱量。l 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱過(guò)程特點(diǎn)：由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱慣性的存在，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量與外擾之間存在著衰減和延遲的關(guān)系。18l不同的表面對(duì)輻射的波長(zhǎng)有

3、選擇性，黑色表面對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射幾乎都是全部吸收，而白色表面可以反射幾乎90的可見(jiàn)光。l圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面越粗糙、顏色越深，吸收率就越高，反射率越低。 19l 將具有低發(fā)射率、高紅外反射率的金屬（鋁、銅、銀、錫等），使用真空沉積技術(shù)，在玻璃表面沉積一層極薄的金屬涂層，形成 Low-e 玻璃；l對(duì)太陽(yáng)輻射不同波段有高透和低透不同性能。(Low-emissivity)2020（2）室外空氣綜合溫度）室外空氣綜合溫度21l考慮了太陽(yáng)輻射的作用對(duì)表面換熱量的增強(qiáng)，相考慮了太陽(yáng)輻射的作用對(duì)表面換熱量的增強(qiáng)，相當(dāng)于在室外氣溫上增加了一個(gè)太陽(yáng)輻射的等效溫當(dāng)于在室外氣溫上增加了一個(gè)太陽(yáng)輻射的等效溫度值。度值。l如

4、果考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與天空和周圍物體之間如果考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與天空和周圍物體之間的長(zhǎng)波輻射：的長(zhǎng)波輻射：l 如果忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與天空和周圍物體之間如果忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與天空和周圍物體之間的長(zhǎng)波輻射：的長(zhǎng)波輻射： outLoutairzQaIttoutairzaItt 22（3 3）建筑能耗模擬分析軟件）建筑能耗模擬分析軟件l GATE，60年代末，美國(guó)，穩(wěn)態(tài)計(jì)算l 現(xiàn)在 美國(guó)：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD 英國(guó)：ESP 日本：HASP 中國(guó)：DeST23l DOE-2 由美國(guó)能源部主持，美國(guó)由美國(guó)能源部主持，美國(guó) LBNL開(kāi)發(fā)，于開(kāi)發(fā)，于1979年首次發(fā)布的

5、建筑全年逐時(shí)能耗模擬軟年首次發(fā)布的建筑全年逐時(shí)能耗模擬軟件，是目前國(guó)際上應(yīng)用最普遍的建筑熱模擬件，是目前國(guó)際上應(yīng)用最普遍的建筑熱模擬商用軟件，用戶數(shù)估計(jì)達(dá)到商用軟件，用戶數(shù)估計(jì)達(dá)到10002500家。家。其中冷熱負(fù)荷模擬部分采用的是反應(yīng)系數(shù)法。其中冷熱負(fù)荷模擬部分采用的是反應(yīng)系數(shù)法。l EnergyPlus 美國(guó)美國(guó)LBNL 90年代開(kāi)發(fā)的商用、教學(xué)研究用年代開(kāi)發(fā)的商用、教學(xué)研究用的建筑熱模擬軟件。采用的是傳遞函數(shù)法的建筑熱模擬軟件。采用的是傳遞函數(shù)法（反應(yīng)系數(shù)法）。（反應(yīng)系數(shù)法）。/buildings/energyplus/24l ESP 由

6、英國(guó)由英國(guó)Strathclyde大學(xué)的能量系統(tǒng)研究組開(kāi)大學(xué)的能量系統(tǒng)研究組開(kāi)發(fā)的建筑與設(shè)備系統(tǒng)能耗動(dòng)態(tài)模擬軟件。采用發(fā)的建筑與設(shè)備系統(tǒng)能耗動(dòng)態(tài)模擬軟件。采用的是有限差分法傳熱過(guò)程，可模擬具有非線性的是有限差分法傳熱過(guò)程，可模擬具有非線性部件的建筑的熱過(guò)程，如有特朗伯墻部件的建筑的熱過(guò)程，如有特朗伯墻(Trombe wall) 或相變材料等變物性材料的建筑。采用或相變材料等變物性材料的建筑。采用的時(shí)間步長(zhǎng)通常以分鐘為單位。該軟件對(duì)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)通常以分鐘為單位。該軟件對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和內(nèi)存有較高要求。機(jī)的速度和內(nèi)存有較高要求。http:/www.esru.strath.ac.uk/Programs

7、/ESP-r.htm25l DeST 90年代清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑與年代清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑與HVAC系統(tǒng)分析和輔助設(shè)系統(tǒng)分析和輔助設(shè)計(jì)軟件。負(fù)荷模擬部分采用狀態(tài)空間法，把建筑物的熱計(jì)軟件。負(fù)荷模擬部分采用狀態(tài)空間法，把建筑物的熱過(guò)程模型表示成：過(guò)程模型表示成：狀態(tài)空間法的求解是在空間上進(jìn)行離散，在時(shí)間上保持狀態(tài)空間法的求解是在空間上進(jìn)行離散，在時(shí)間上保持連續(xù)。連續(xù)。其解的穩(wěn)定性及誤差與時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此求解過(guò)程所其解的穩(wěn)定性及誤差與時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此求解過(guò)程所取時(shí)間步長(zhǎng)可大至取時(shí)間步長(zhǎng)可大至1小時(shí)，小至數(shù)秒鐘。但狀態(tài)空間法小時(shí)，小至數(shù)秒鐘。但狀態(tài)空間法與反應(yīng)系數(shù)法相同之處是均要求系統(tǒng)線性化，不能

8、處理與反應(yīng)系數(shù)法相同之處是均要求系統(tǒng)線性化，不能處理相變墻體材料、變表面換熱系數(shù)、變物性等非線性問(wèn)題。相變墻體材料、變表面換熱系數(shù)、變物性等非線性問(wèn)題。BuATTChttp:/ 262.2太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器271.1.太陽(yáng)能集熱器的分類太陽(yáng)能集熱器的分類2.2.平板型太陽(yáng)能集熱器平板型太陽(yáng)能集熱器3.3.真空管型太陽(yáng)能集熱器真空管型太陽(yáng)能集熱器4.4.不同類型太陽(yáng)能集熱器比較不同類型太陽(yáng)能集熱器比較28l太陽(yáng)能熱利用就是直接將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的應(yīng)用；l主要包括太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)能海水淡化及其它工農(nóng)業(yè)應(yīng)用。29l2014年我國(guó)太陽(yáng)能熱水器保有量達(dá)到4.14億

9、平方米，增長(zhǎng)10.4%。l2014年，我國(guó)主被動(dòng)式太陽(yáng)房超過(guò)2500萬(wàn)；l太陽(yáng)灶235萬(wàn)臺(tái)，其中出口到非洲等國(guó)家和地區(qū)有70萬(wàn)臺(tái)左右。 l據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建各種類型的太陽(yáng)能干燥裝置200多座，總采光面積近20000平方米。l太陽(yáng)能海水淡化等技術(shù)還處于應(yīng)用示范階段。301.1.太陽(yáng)能集熱器的分類太陽(yáng)能集熱器的分類定義：定義：吸收太陽(yáng)輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱介質(zhì)的裝置。太陽(yáng)能集熱器是組成各種太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。無(wú)論是太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶、主動(dòng)式太陽(yáng)房，還是太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)能熱發(fā)電等都離不開(kāi)太陽(yáng)能集熱器，都是以太陽(yáng)能集熱器作為系統(tǒng)的動(dòng)力或者核心部件的。 31u液體集熱器u空氣集熱器3

10、2 u聚光集熱器u非聚光集熱器33u跟蹤集熱器u非跟蹤集熱器34-低溫集熱器 工作溫度在100以下-中溫集熱器 工作溫度在100一200-高溫集熱器 工作溫度在200以上35u平板集熱器u真空集熱器36平板型太陽(yáng)能集熱器平板型太陽(yáng)能集熱器平板太陽(yáng)集熱器構(gòu)造示意圖l吸熱體吸熱體吸收太陽(yáng)輻射能，將吸收太陽(yáng)輻射能，將其轉(zhuǎn)換為熱能，并向工質(zhì)傳遞熱其轉(zhuǎn)換為熱能，并向工質(zhì)傳遞熱量的部件。材料種類很多，有銅、量的部件。材料種類很多，有銅、鋁合金、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、鍍鋁合金、銅鋁復(fù)合、不銹鋼、鍍鋅鋼、塑料、橡膠等。鋅鋼、塑料、橡膠等。l透明蓋板透明蓋板覆蓋吸熱板，由透覆蓋吸熱板，由透明或半透明材料組成。明或半

11、透明材料組成。目前材料目前材料主要有兩大類：平板玻璃（專門主要有兩大類：平板玻璃（專門用于太陽(yáng)能集熱器的低鐵平板玻用于太陽(yáng)能集熱器的低鐵平板玻璃）和玻璃鋼板。璃）和玻璃鋼板。37l隔熱層隔熱層抑制吸熱板通過(guò)傳導(dǎo)向周圍環(huán)境散熱的部抑制吸熱板通過(guò)傳導(dǎo)向周圍環(huán)境散熱的部件。用于隔熱層的材料有：巖棉、礦棉、聚氨酯、聚件。用于隔熱層的材料有：巖棉、礦棉、聚氨酯、聚苯乙烯等，目前使用較多的是巖棉。苯乙烯等，目前使用較多的是巖棉。l殼體殼體保護(hù)及固定吸熱板、透明高板和隔熱層的部保護(hù)及固定吸熱板、透明高板和隔熱層的部件。要求具有一定的強(qiáng)度和剛度，有較好的密封性及件。要求具有一定的強(qiáng)度和剛度，有較好的密封性及耐

12、腐蝕性，有美觀的外表。材料有鋁合金板、不銹鋼耐腐蝕性，有美觀的外表。材料有鋁合金板、不銹鋼板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。板、碳鋼板、塑料、玻璃鋼等。3839a 管板式b 翼管式c 扁盒式d 蛇管式4041l目前我國(guó)逐步興起全銅吸熱板，是將銅管和銅板通過(guò)高頻焊接或超聲焊接工藝結(jié)合在一起。l具有銅鋁復(fù)合條帶的所有優(yōu)點(diǎn)，銅管可以承受更高的壓力。42特征：特征：利用模子擠壓拉伸工藝制成金屬管兩側(cè)連有冀片的吸熱條帶，然后再與上下集管焊接成吸熱體。材料一般采用鋁合金。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： a.熱效率高，管子和平板是一體，無(wú)結(jié)合熱阻； b.耐壓能力強(qiáng)，鋁合金管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： a.水質(zhì)不易保證，鋁臺(tái)金

13、會(huì)被腐蝕； b.材料用量大，工藝要求管壁和翼片都有較大的厚度； c.動(dòng)態(tài)特性差，吸熱板有較大的熱容量。43特征：特征： 扁盒式吸熱板是將兩塊金屬板分別模壓成型，然后再焊接成一體構(gòu)成吸熱體。材料可采用不銹鋼、鋁合金、鍍鋅鋼等。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a熱效率高，管子和平板是一體，無(wú)結(jié)合熱阻；b不需要焊接集管，流體通道和集管采用一次模壓成型。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：a.焊接工藝難度大，容易出現(xiàn)焊接穿透或者焊接不牢；b.耐壓能力差，平直部分及焊點(diǎn)不能承受較高的壓力；c.動(dòng)態(tài)特性差，流體通道的橫截面大，吸熱板有較大熱容；d. 水質(zhì)不易保證，鋁合金和鍍鋅鋼都會(huì)被腐蝕。44特征：特征：蛇管式吸熱板是將金屬管彎曲成蛇形，然后再與平

14、板焊接構(gòu)成吸熱體。材料一般采用銅，焊接工藝采用高頻焊接或超聲焊接。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： a.不需要另外焊接集管，減少泄漏的可能性； b.熱效率高，無(wú)結(jié)合熱阻； c.水質(zhì)清潔，鋼管不會(huì)被腐蝕； d.保證質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化； e.耐壓能力強(qiáng)，鋼管可以承受較高的壓力。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： a.流動(dòng)阻力大，流體通道不是并聯(lián)而是串聯(lián)； b.焊接難度大，焊縫不是直線而是曲線。45無(wú)蓋板無(wú)蓋板適用氣溫較高地區(qū)游泳池加熱，成本低廉，加熱水溫低，流量大。單層蓋板（單層蓋板（+ +吸熱板上覆蓋非選擇性涂層）吸熱板上覆蓋非選擇性涂層）適用于春夏秋三季生產(chǎn)40-46oC低溫生活熱水。單層蓋板（單層蓋板（+ +吸熱板上覆蓋選

15、擇性涂層）吸熱板上覆蓋選擇性涂層）適用于春夏秋三季生產(chǎn)60-70oC低溫生活熱水。雙層蓋板（雙層蓋板（+ +吸熱板上覆蓋選擇性或非選擇性涂層）吸熱板上覆蓋選擇性或非選擇性涂層）用于環(huán)境寒冷地區(qū)，但由光學(xué)效率降低，影響總體效率。46l非選擇性涂層是指其光學(xué)特性與輻射波長(zhǎng)無(wú)光的吸收涂層；l選擇性涂層是指其光學(xué)特性隨輻射波長(zhǎng)不同有顯著變化的吸收涂層。47絕熱性能絕熱性能決定于導(dǎo)熱系數(shù)，需考慮溫度、濕度等的影響。耐熱性耐熱性其耐熱溫度應(yīng)高于集熱器的悶曬溫度?？垢g性抗腐蝕性不得對(duì)吸熱體和其它部件產(chǎn)生腐蝕作用。機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)集熱器機(jī)械強(qiáng)度。48定義：在穩(wěn)態(tài)(或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài))條件下，集熱器傳熱工質(zhì)在規(guī)定時(shí)

16、段內(nèi)輸出的能量與規(guī)定的集熱器面積和同一時(shí)段內(nèi)入射在集熱器上的太陽(yáng)輻照量的乘積之比。AGQu49吸熱體面積采光面積總面積三種定義 不同定義的集熱器面積會(huì)影響集熱器的效率50吸熱板的最大投影面積（圖中斜線面積）51太陽(yáng)輻射進(jìn)入集熱器的最大投影面積（圖中斜線面積）52整個(gè)集熱器的最大投影面積（圖中斜線面積）53光損失熱損失集熱器與環(huán)境溫度之差(oC)集熱器效率54l集熱器效率是變數(shù)，不是常數(shù)，與集熱器工作溫度、環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度有關(guān)； l效率曲線在y軸上的截距表示集熱器可獲得的最大效率；l效率曲線的斜率值表示集熱器總熱損系數(shù)的大小；l效率曲線在x軸上的交點(diǎn)值表示集熱器可達(dá)到的最高溫度。55l真空集

17、熱器：將吸熱體與透明蓋層之間抽成真空的太陽(yáng)集熱器。l主要特點(diǎn)：減少集熱器的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射熱損失。l從受力情況和密封角度，通常將真空太陽(yáng)集熱器基本單元做為圓管形狀，而不是平板。3.3.真空管型太陽(yáng)集熱器真空管型太陽(yáng)集熱器56l全玻璃真空管集熱器全玻璃真空管集熱器，吸熱體由玻璃管組成；57l玻璃和金屬結(jié)構(gòu)真空管集熱器玻璃和金屬結(jié)構(gòu)真空管集熱器，吸熱體由金屬材料組成，如U型管式真空管集熱器和熱管式真空管集熱器。58 全玻璃真空管集熱器的結(jié)構(gòu)全玻璃真空管集熱器的結(jié)構(gòu) 1、外玻璃管；、外玻璃管；2、內(nèi)玻璃管；、內(nèi)玻璃管；3、選擇性吸收涂層；、選擇性吸收涂層； 4、真空夾層；、真空夾層； 5、彈簧支架；

18、、彈簧支架；6、消氣劑；、消氣劑； 7、保護(hù)帽、保護(hù)帽 59l內(nèi)外玻璃管采用硼硅玻璃3.3（氧化鐵含量5%以下；熱穩(wěn)定性好；熱膨脹系數(shù)低3.310-6/；耐熱沖擊性好，耐熱溫差大于200；有較高的機(jī)械強(qiáng)度；較好的抗化學(xué)腐蝕性能；良好的光學(xué)性能，透光率 0.89）。l真空度510-2Pa。60l采用選擇性涂層作為吸熱體的光熱轉(zhuǎn)換材料，要涂層有高的太陽(yáng)吸收比，低的發(fā)射率。l采用磁控濺射技術(shù)的多層（漸變）鋁氮/鋁選擇性吸收涂層，光吸收率可達(dá)0.93，紅外發(fā)射率約為0.05（80）。6162三高管三高管l耐高溫、抗高寒、高效吸收的“三高”管，采用干涉吸收型超低發(fā)射比鍍膜，解決了傳統(tǒng)的漸變型選擇吸收鍍膜的反射曲線不陡峭，發(fā)射比隨溫度升高顯著增大的問(wèn)題。63l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，就是在真空管內(nèi)插一根帶圓筒型鋁翼的U型銅管； l真空管內(nèi)無(wú)水，遇有真空管破裂，集熱系統(tǒng)照常運(yùn)行；l傳熱工質(zhì)可選用防凍液，特別適于高寒地區(qū)四季使用；l集熱器間可并聯(lián)或串聯(lián)安裝，可以承壓運(yùn)行；l集熱管放置不受方向限制，系統(tǒng)安裝、維修簡(jiǎn)便。64l目的：增強(qiáng)光照，提高集熱效率lCPC聚光板效果好與平板反光板l存在問(wèn)題：易積塵積雪，不通風(fēng)l應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩須夂驐l件合理選擇65一種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式66n管子的一端為蒸發(fā)段，吸收熱量，另一端為冷凝段釋放熱量。n當(dāng)管子的蒸發(fā)段被加熱時(shí)，