在社会能源总消耗中,建筑耗能约占30-40%。其中,建筑采暖、制冷、热水耗能约占整个建筑耗能达40%,因此,建筑采暖、制冷、热水供应中的能源利用方式和能源利用效率,直接影响到我国能源的总体利用情况。太阳能因为其可再生以及对环境友好的优点,是重要的化石能源替代物,在建筑中大力推广应用太阳能利用技术将是规模化发展可再生能源、降低建筑能耗中常规能源比例的重要途径。当前,在建筑中应用的太阳能利用技术中,太阳能制热水和太阳能采暖是两种较为普遍的应用形式。
在太阳能采暖应用中,有几种比较典型的系统如Trombe墙系统、对Trombe墙系统进行改进的复合Trombe墙系统、解决传统Trombe墙功能单一等问题而提出的新型光伏Trombe墙系统以及采用金属板作为吸热板的Barra-Costantini系统等。这些传统系统既有主动系统也有被动系统,都只是基于实现冬季太阳能采暖功能所进行的设计,在冬季,也确实能实现很好的太阳能建筑采暖目的,但由于都未考虑非建筑采暖期太阳能利用的问题,导致这类传统系统存在只适合于冬季应用,在全年其他时期无法实现太阳能的有效利用。因此,传统太阳能采暖系统存在适合地域少、全年利用时间短的缺点。此外,从已有研究来看,目前传统太阳能采暖系统特别是被动采暖系统常会导致建筑夏季过热问题。如Trombe墙系统、Barra-Costantini系统在夏季都只是以朝室外开风口方式使热量向室外排放,但由于玻璃盖板的温室作用,朝室外开风口方式也只能在一定程度上缓解问题,仍不能避免建筑过热问题。而且,在实际使用中,用户,特别是高层建筑住户,进行开启/密闭朝室外的两个风口的操作很不方便,也制约了用户采用该类系统的积极性。为解决这些问题,我们提出了一种新型的与建筑一体化太阳能双效集热器系统。该新型系统带有一种特别设计的新型集热模块——与建筑一体化太阳能双效集热器模块,具有两种独立功能：一是在冬季时采用被动采暖工作模式运行以给建筑供暖,二是在建筑无需供暖时期采用集热水工作模式运行以制热水。该设计概念可以使系统全年的利用率得到大大提高,经济性更好；另外,从结构上讲,该新型系统比太阳能热水墙多一与建筑室内房间相连的风口结构,比常用被动采暖系统少一夏季用于朝室外环境开启的风口结构,减少的风口结构将使避免传统被动采暖系统需要在室外操作朝室外的两个风口所造成的用户使用不方便的问题。
设计并加工得到了与建筑一体化太阳能双效集热器模块,并以此在热箱实验平台上搭建了系统实验台。根据系统的概念特点,对实验系统的两种工作模式——以自然循环方式工作的集热水工作模式和被动采暖工作模式的性能进行了测试和分析。实验结果表明,系统的两种工作模式,在其相应的工作时期都能有效利用太阳能。此外,研究结果还表明,系统表现出一些与传统系统不同的热特性。如系统在夏季时所加热水的太阳得热比春季时明显要低,而得到的热水终温春夏季节相近。而在被动采暖工作模式时,系统的白天期间系统房间内空气温度分层现象与投射在集热器集热面上的太阳辐照强度两者间存在数学上的线性关系。
针对与建筑一体化太阳能双效集热器实验系统的两种工作模式,本文分别建立了其各自的与建筑耦合传热计算模型,并进行了实验验证。模拟结果和实验结果对比显示,采用所建立的关于集热水工作模式的系统理论模型模拟计算系统集热水效率与实验结果的相对绝对误差最大仅为2.6%,而且模拟计算得到的房间空气温度的RMSD仅为0.4℃。因此,可以得到,关于系统以自然循环工作方式工作在集热水工作模式下所建立的理论模型准确,可以用来模拟预测系统在该方式下工作时的性能情况。关于系统被动采暖工作模式所建立的理论模型模拟计算同样能得到较准确的结果,但相比关于集热水工作模式下所建立的理论模型,其计算误差要约高些。综合来看,关于系统两种工作模式所建立的集热器模块与建筑耦合的系统传热计算模型都得到实验结果的验证,模型准确可靠。
通过验证的理论模型模拟计算,对比了实验用黑镍选择性涂层与普通黑漆涂料对系统房间空气温度的影响情况。结果发现,系统采用黑镍选择性吸收涂层可以极大地提高系统集热性能,利于建筑房间获得更多的太阳得热。模拟研究还表明,不同特性的黑镍选择性涂层对系统性能的影响情况为：当涂层吸收率相同时,系统房间空气的期间平均温度随涂层发射率增大而线性降低；当涂层发射率相同时,系统房间空气的期间平均温度随涂层吸收率增大而线性升高。
在已建立的关于实验系统以自然循环方式工作在集热水工作模式下的理论模型的基础上,将理论模型拓展至了将集热器模块安装在带窗结构的房间的情况。以具有实际房间结构和材料特点的虚拟房间为对象,分析了在夏秋季节系统以自然循环方式工作在集热水工作模式下的热特性情况。研究结果得到,系统在夏季工作时可以在一定程度上降低房间的冷负荷(降低约2.05%)。这个结果说明,系统不会造成传统被动采暖系统常遇到的夏季建筑过热问题。但在秋季时,其热特性情况会和夏季时有所区别。在秋季时,从全天来看,会造成房间冷负荷的上升,但同时降低房间的热负荷。总体上,会增加建筑房间的负荷量。但由于秋季室外温度低,房间的冷负荷需求可以通过与环境的自然通风实现,因此,仍然可以认为系统在秋季运行时对建筑的热影响是可以接受的。
通过分析了系统在不同季节运行时,系统的工作水量和背板保温层设计对系统集热水性能和对建筑的热影响情况。得到,对于系统设计来说,背板保温层的适宜设计厚度约在0.05m,工作水量在夏季运行时的适宜量约是40kg/m2-50kg/m2,而在秋季时约为50kg/m2-60kg/m2。
