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实践创新——太阳能幕墙集热器可行性研究

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太阳能幕墙集热器可行性研究
摘 要：列举比较各种采暖系统的利弊，用日照时数、太阳总辐射两个常用太阳能资源的评价指标分析江苏省太阳能资源的时空分布特征;结合太阳能资源本身的资源属性研究太阳辐射的实际情况对江苏省太阳能的实际可利用资源潜力进行评估。对有关模拟结果的分析，说明太阳能幕墙集热器的可行性。
关键词：太阳能幕墙集热器;太阳能资源；利弊;可行性
一、江苏地区常采用的供暖方式及其利弊分析
1. 两种空调系统的介绍
1．1多联机空调系统
多联机空调系统是直接蒸发式系统的一种形式，主要由室外主机、制冷剂管路、室内机、以及一些控制装置组成.该空调系统除了具有分体空调的基本特点外，一台室外机可带多台室内机，连接管线最长可达100米，压缩机采用变频调速控制。变制冷剂流量系统的冬季供热能力随着室外空气气温的降低而下降，当室外气温降至-15℃时，机组的制热量只相当于标准工况时制热量的50%左右。如不能满足,则需设置辅助热源进行辅助供热。就全国气候条件来看,在夏季室外空气计算温度35℃以下、冬季室外空气计算温度-5℃以上的地区，变制冷剂流量系统基本上能满足冬、夏季冷热负荷的要求.
1．2地板空调
地板空调也称空气源热泵地板采暖系统由空气源热泵、循环泵、水系统环路、风机盘管及地板采暖组成，它以空气源热泵作为冷热源，冬季与辐射地板结合用于采暖，夏季与风机盘管结合组成户式中央空调.空气热泵夏季产生7℃冷水，送至室内风机盘管产生冷风；空气热泵冬季产生35℃热水，直接通过低温辐射地板采暖。
2。两种空调采暖优劣分析
这两种空调系统均夏季采用空调室内机供冷，冬季地板空调采用地板采暖系统供暖，另外一种系统采用风机盘管供暖。这两种取暖方式各有利弊，下面通过两种采暖方式多个方面的比较评析，对它们各自的特点作进一步阐述.
2．1地板采暖优劣分析
低温地板辐射采暖是以低温热水作为热源,以整个或者部分地面作为散热面辐射板，在通过对流换热加热周围空气的同时，还与四周的围护结构进行辐射换热,从而使围护结构的内表面温度升高，其辐射换热量占总换热量的50％以上.地板辐射采暖具有以下优点：
(1)地板采暖是一种由下而上的梯度散热，有利于人体健康,符合“头要凉,脚要热”的舒适要求；
（2)通过地板辐射热量,不占平面空间，也符合美观要求；
（3）这种由下而上的梯度散热,不同于中央空调及暖气片的致
热原理，符合节能要求。对于同样的热源，在同等建筑条件和等热源
的条件下，地板采暖比空调采暖节能。
（4)由于其没有直接的裸露的发热器件，使安全性更高，没噪
音。
地板空调的缺点是对装修的要求比较高，不能破坏地面，如在地板上打钉子受到一定的限制。地板空调系统冬季机组的出水水温40℃以下运行,效率较高，可不用设置电辅助加热器.缺点是需要增加一套地板采暖系统,地面需增加100mm 的垫层，投资增加,另外地暖不宜采用间歇运行。另外还需设置循环泵。
2．2中央空调采暖优劣分析
中央空调的致热原理是通过动力风的热风取暖形式而达到采暖的目的。相对于地板采暖方式,其优点在于其既可以实现热风取暖，又可以实现冷风降温，也就是所谓的冷暖一体.但同时空调采暖也存在一定的缺点，主要是空调采暖是通过机械动力直接吹出热风，相对于其它两种采暖方式而言，不仅会使室内空气比较干燥，对人体健康不利，而且其热量的流通方式是由上而下,使室内温度上部空间较高而下部空间较低,不符合“头要凉，脚要热”的舒适要求，而这种热流通方式也会严重影响了节能。此外中央空调占的空间比较大，有噪音，造价方面也相对较高，而正常的使用费用也高。
3、空调采暖的能耗
以重庆市大型公共建筑集中空调系统能耗状况为例,具体说明空调采暖的弊
—-—-—能耗问题.

从表1 中可知，建筑能耗为1.030～4.045GJ/(㎡·a），空调能耗为0.258～1.317 GJ/（㎡·a），最大的建筑能耗与是最小的建筑能耗的3。927倍,最大的空调能耗是最小空调能耗的5.105倍。能耗最低的D建筑,在6月～9月供冷及11月～2月供热,其能耗低的原冈是由于在空调运行管理中注重节能,能根据天气和建筑的具体情况来运行冷水机组和锅炉，其出租率仅为55%。商场的平均建筑能耗为2。431 GJ/(㎡·a),平均空调能耗为0.870 GJ/（㎡·a）；酒店的平均建筑能耗为2.947 GJ/（㎡·a）,平均空调耗1。1008 GJ/（㎡·a）；综合性建筑的平均能耗为2。223 GJ/(㎡·a)，1.119 GJ/(㎡·a)。空调能耗占总能耗的25。1%～53。99%,平均空凋能耗占总能耗的39.67％由于没有考虑不开空调系统也要进行室内的通风所消耗的能耗，所以表1显示的空调系统能耗占建筑总能耗相对较小.由表1中可知,综合性建筑的空调能耗占总能耗的百分比相对于其他用途单一的建筑明显偏大，平均空调能耗大于50%，而商场和酒店的平均空调能耗分别为34。59%和34。13％。
（二）地暖系统供暖
几种常见的地暖形式的优缺点：
1. 低温地板辐射采暖优缺点
1．1 低温地板辐射采暖具有以下方面的优越性：
(1)最舒适的采暖方式
地板辐射散热是最舒适的采暖方式,室内地表温度均匀，室温由下而上随着高度的增加温度逐步下降，这种温度曲线正好符合人的生理需求，给人以脚暖头凉的舒适感受.同时，地板采暖可促进居住者足部血液循环，从而改善全身血液循环，促进新陈代谢，并在一定程度上提高免疫能力。
（2)高效、节能、运行费用低
低温地板辐射采暖方式可利用余热水、太阳能、地热等各种低温热源。其较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内，室内设定温度即使比对流式采暖方式低2～5℃,也能使人们有同样的温暖感觉，所以温差传热损失会大大减小.
（3）热媒低温传送，在传送过程中热量损失小，热效率高
提高室内空气质量使用地采暖时，室内空气流速小，减少了空气中的扬尘和浮游病菌，保持了较好的空气清洁度。地采暖将地面温度均匀加热，室温自下而上逐渐递减，室内温度变化缓慢，能较好保持室温均衡，在停电停水时，室内温度在24小时内仍可保持18℃，使人不会有忽冷忽热的感觉。
(4）不占室内使用面积
由于使用地采暖，管道全部埋在垫板以下，取消了居室片及支立管，增加使用面积约2％一3％(包括暖气罩）,便于室内装修和家具、电器用品的布置，又可节省装修费用，更不会影响装修效果，并且有利于隔声和降低楼板撞击声。与其他采暖方式相比，节能幅度约为20％,如采用分区温控装置，节能幅度可达到40％.
（5）使用寿命长,免维护，安全性能好,节约维修费用
由于地板采暖盘管全部暗埋在楼板中，所以在采暖运行中如果不是人为破坏，几乎不存在维修的问题,使用寿命在50年以上,不腐蚀、不结垢，大大减少了暖气片跑、冒、滴、漏水和维修给住户带来的烦恼，可节约维修费用。
（6）减少楼层噪音
目前我国楼板一般选用预制板或现浇板,其隔音效果极差，楼上人走动,就影响楼下，采用地板采暖增加了保温层，具有非常好的隔音效果,可降低噪音污染;地板采暖过程寂静无声，室内环境清静，没有空调噪音，这有助于孩子把注意力集中在学习上，从而有利于提高学习效率.
1．2低温地板辐射采暖方式的缺点:
地采暖可维修性差地板采暖属隐蔽性工程,不易维修,装修时要选择耐压耐温耐腐蚀,热稳定性能好的高科技环保管材.铺设木地板会有干裂的麻烦，最好选用复合地板、或大理石。
不便于二次装修由于地采暖的热管道都铺设在地下，二次装修改造地面时，容易损坏地下管道。并且,地板上不宜铺设地毯之类的品，否则容易影响采暖效果。设定温度不能太高，否则将大大降低输送管道的使用寿命.使用受限由于地采暖的送热管道比较复杂，出于防水考虑,卫生间不能使用地采暖。采用地采暖的家庭，在装修时，卫生间需要单独装修，借助其他取暖方式，比如电暖气等，这就导致了在装修时工序比较麻烦。
2. 低温热水地暖的优缺点
2．1低温热水地暖的主要优点
（1）人居舒适度高。利用散热器的对流供暖方式供暖会使室内温度场有明显的不均衡感、层次感和距离感，而在地面下铺设管线，利用整个地面辐射散热，其室内温度场会相对的均衡、平稳，热源从下而上，符合人体温度需求，使人感觉舒服（如图I、图2、图3所示);
(2）能源节能效果好。利用整个地面散热,其散热面积远远大于对流供暖方式散热器的散热面积，也相应地提高了热媒——热水的热能利用率，并为降低热水初温提供可能,从而有利于节能。具体节能效果如表1所示；
(3)隐蔽于地下,有利于室内整洁，装饰。安置在室内墙表外的散热器给人以突出感,也有碍于建筑装饰和家具摆设;而暗阁式的设计虽然有效避免了这种弊病,却又不利于房屋清洁，并且暗阁在一定程度上阻隔了散热器和室内空间之间的连通性,使二者之间的空气流动性变差，也进一步降低了热能利用率和房屋供暖效果。而地暖系统在地面下铺设管线则不会有上述弊病；
（4)有利于分户计算热量。地暖系统在每一户都设有独立、唯一的分水器，有利于安装仪表计算流量和流速，从而计算供热量,分户计量.而对流供暖系统因整栋楼管道连通的缘故，无法实现分户计量;
（5）有利于上下楼层的隔音。为使整栋楼管道连通,对流供暖系统要求洞穿室内楼板，孔洞的存在不利于上下楼层的隔音，而易于传音的金属管的存在进一步加剧了这种情况。地暖并不要求洞穿室内楼板，所以有利于上下楼层的隔音。
2．2低温热水地暖的主要缺点
(1）有一定的使用条件要求。与对流式供暖较强的简单适用性相比，地暖不具有普适性，对环境、热工条件以及施工设计资质等都有一定要求；
（2）程本身设计精密且要求住宅设计有前瞻性。比如地暖需要根据建筑空间、面积精密计算热量需要，以确定管道口径和管网密度等重要数据。另外，占用房屋空间高度，不但隐性地降低了室内层高，而且加重了楼板载荷，要求在楼房初始建筑设计、选材时预留出载荷空间,否则便会因过量载荷而降低建材寿命甚至有安全隐患；
（3)工程本身施工流程复杂.施工程序多,建材相对脆弱，要求加强保护,要求施工人员有较高的技术水平和较强的纪律意识；
(4）工程可修复程度低。因为隐蔽于地面下、建材相对脆弱，所以二次装修时易被破坏，并且不方便维修，维修时的破坏性很大，会有大面积的损毁，从而给施工人员带来很大的工作量,并给业主带来许多不必要的烦恼。
（三） 电暖器供暖
1. 几种类型电暖器及其优缺点
1．1电热汀取暖器
这种电暖器体内充有新型导热油,当接通电源后,电热管周围的导热油被加热，然后沿着热管或散片将热量散发出去。当油温达到85℃时，其温控元件即自行断电。这种电暖器导热油无需更换,使用寿命长,售价一般在400~500元之间.适合在客厅、卧室、过道及有老人和孩子的家庭使用，具有安全、卫生、无尘、无味的优点.缺点是散热慢、耗电多。油汀散热片有7片、9片、10片、12片等，可通过选择散热片的多少来调功率的大小,使用功率在1200瓦左右。
1．2 PTC暖风机
它利用风机鼓动空气流经PTC电热元件强迫对流,以此为主要热交换方式。其内部装有限温器,当风口被风机堵塞时，可自行断电。有的还装有倾倒开关，当暖风机倾倒时也能自行切断电源.其输出功率在800－1200瓦,可随意调温，工作时送风柔和，升温快，具有自动恒温功能，PTC元件一般都具有防水功能，所以适合在浴室使用，售价在300～500元之间，是目前理想的便携式家用电暖器。
1.3 对流式电暖器
这种电暖器罩壳上为出气口，下方为进气口,通电后电热管周围的空气被加热上升，从出气口流出，而周围的冷空气从进气口进入补充。如此反复循环,使室内温度得以提高.当进、出口被堵塞或环境温度过高时，温控元件会自动切断电热管电源.这种电暖器使用功率在800瓦左右，还可通过增减电热管的接通数量来调节功率。该电暖器的安全性能较高，运行宁静，缺点是升温缓慢。
2. 电暖器供暖的能耗
下图为牛春成对5款品牌电暖器横向评测的数据表格
图1 五款品牌电暖器的瞬时功率和1小时耗电量

由表可以看出，瞬时功率大，也不一定费电,比如艾美特HU1102，单位时间耗电量仅为1。28度，主要因为室内温度达到一定数值后，电暖器会降低加热功率，以适应环境，看上去和空调的变频功能很像，其实这个”一定数值”用户并不能精确设置，用一个旋钮来调节温度高低，非常模糊。电暖器的耗电量普遍在1。2度到2度之间，甚至有一款电暖器一小时耗电量为2。32度.结合制热效果来看，电暖器依然不能作为冬季制暖的主导设备。
二、江苏省冬季日照时数和太阳辐射强度
江苏位于116°22′E-—-121°55′E °° 30°45′N———--35°07′N,以南是亚热带气候,冬季平均气温零摄氏度以上，以北是暖温带气候，冬季平均温度零摄氏度以下,气候寒冷干燥，生活水平高，供暖消耗的能源量大，针对能源资源相对不足的现状,需要新的能源来提供供暖。下文用日照时数、太阳总辐射两个常用太阳能资源的评价指标分析江苏省太阳能资源的时空分布特征；结合太阳能资源本身的资源属性研究太阳辐射的实际情况对江苏省太阳能的实际可利用资源潜力进行评估。
（一）、日照时数
1、 日照时数的逐年变化和逐年累积距平变化

图2 1960～ 1999 年江苏省年日照时数特征变化曲线
( a) 逐年日照时数曲线和拟合直线􀀁 （ b） 逐年日照累积距平曲线
图2给出了江苏省年日照时数的逐年变化和逐年累积距平变化, 图1( a) 中直线为日照时数与时间序列（ 年) 拟合的趋势线， 通过了99% 的信度检验， 因此江苏省内日照时数明显下降趋势, 由逐年累积距平变化曲线图1（ b） 可看出， 1960 ∽ 1979 年的日照时数基本高于40 年平均水平， 1980 年为主要的转折年， 1980 年后年日照时数基本低于40年 平均水平。
2。不同季节的日照时数的年代际变化
表2 是江苏省四季不同年代的日照时数平均值, 可以看出春季日照时数的突变发生在20 世纪90 年代；夏季日照时数自80 年代开始较之前有明显的下降; 秋季日照时数近40 年 来变化不明显； 60 年代冬季的日照时数平均值较高， 之后日照时数明显下降, 并且30 年 来变化不大。
表2 ， 不同年代江苏省日照时数特征统计（ 单位： h)

年代
平均日照时数
春季
夏季
秋季
冬季
1960～ 1969
550． 4
685． 4
541． 8
503． 0
1970~ 1979
550． 2
657． 9
540． 2
442． 7
1980～ 1989
558． 7
585． 0
512．9
450． 8
1990～ 1999
519． 9
570． 4
533． 4
435． 9

3、2011年全省日照分析
冬季全省各站日照时数411.8(苏州）～649.5(新沂）小时,与常年同期相比，除泗洪偏少1成外，其它地区偏多1～4成。南京日照时数458.8小时，与常年同期相比偏多1成。与常年同期相比：12月日照时数江淮地区偏多1～3成，其它地区偏多2～4成；1月日照时数除泗洪略偏少外，其他地区偏多1～6成；2月日照时数除丰县、淮安和苏南地区持平略多外,其他大部分地区偏少1～3成。全省冬季日照时数在500小时左右。苏北地区冬季日照时数多于苏南地区。
（二）、太阳辐射
1、太阳能资源丰富程度评估
江苏省大部分地区太阳能资源属于资源较贫乏地区(年均太阳辐射总量为4200~5400MJ/（m2•a)，太阳总辐射呈北丰南贫趋势。相对来说，连云港地区、盐城北部、徐州东北部及宿迁北部地区的太阳资源相对较丰富，年均太阳总辐射可达5000MJ/(m2•a），年均日照时数在2300h以上属于资源较丰富区;苏南地区及中部地区年均总辐射相对较少，日照时数在1900~2300h，属于资源贫乏区。研究区的太阳能总辐射与日照时数都存在自北向南逐渐减少的趋势，可以认为江苏省太阳能资源北丰南贫。
2、太阳能资源稳定程度评估
苏北及江苏东部地区太阳能资源较为稳定，太阳能资源相对较为贫乏的苏南地区，，太阳能资源稳定程度相对较差.总体来说，江苏省太阳能资源相对较为丰富地区的稳定程度相对高，但可能由于地形方面的因，太阳能资源较为丰富的徐州地区资源稳定性较小.
3.小结
江苏地区的太阳能资源丰欠程度、稳定性变化及可利用价值的趋势一致，苏北连云港地区、徐州、宿迁及盐城北部部分地区的太阳能资源相对比较丰富、资源稳定性较高，具有较高的利用价值，苏南地区则相反。
三、国内外太阳能集热幕墙相关的研究与应用案例
1、海南成立高新建筑幕墙检测中心
海南高新建筑幕墙检测有限公司于2011 年1 月通过了海南省质量技术监督局的资质评审，取得CMA 认证，获得进行建筑幕墙、门窗检测的资质。于2011 年3 月通过海南省住房和城乡建设厅颁发的建筑幕墙工程检测资质证书.公司试验室面积230m2,具备各种检测的基本环境条件,能承担共计2 个项目8 个参数的检测能力。据海南省住房和城乡建设厅副巡视员童立人介绍，近年来,海南建筑行业幕墙检测都要送往广东进行检测,不仅费用
高，而且检测数据容易出现不准确，同时检测周期长，影响了海南建筑项目的开展。童立人说，如今该检测机构的成立，结束了海南幕墙检测必须送往外省的历史，填补了海南建筑行业的空白。
2、德国Energon被动房屋
Ulm的Energon被动房屋是目前世界上最大的被动节能办公大楼,外形为曲面三角形的五层建筑。建筑供暖能耗为15kWh/m2。此建筑具有以下技术特征:在建筑围护结构方面：结构为砼和木质混合结构；建筑外墙50%为玻璃，光照过强时百叶窗会自动降下；50%保温外墙。屋面天窗设有自动百叶窗系统，中午光照过强时，会自动闭合.窗户百叶窗自动升降，上部进光，下部闭合.外墙由里向外四厚木板、矿棉保温层、厚木板、防水层、砂浆层组成。楼板由28厘米砼楼板组成,从下向上约10厘米处为预埋管道（通水)通到地下（100米）,通过地热和地冷调节水和空气的温度.据最初设计，此楼每年一次能源消耗为120kWh/m2，通过收集建成以来3年的能耗运行指标，实际值仅为70kWh/m2。被动房屋还充分利用了太阳能。屋顶有光电设备,膜式太阳能集热板有两种功能：光电转换和屋面密封层。一般光电转化效率:16%；此建筑式太阳能集热板光电转化效率：3％～4%。
3、海林办公大楼节能解决方案
该办公大楼全面展现了我国建筑节能的前瞻性、低碳性、经济性和人文性，实现了太阳能玻璃幕墙、阳光屋顶太阳能与宏伟建筑的完美融合,并把地源热泵、余热利用、雨水收集、空气质量监控、节能控制及能量计量系统全部融合应用于该建筑中,是一流的太阳能建筑一体化及节能综合解决方案的示范工程。通过把平板太阳能集热器作为建筑材料，大面积与幕墙结合安装的形式，实现了规模的光热利用.加之智能化节能控制技术的应用，使太阳成为可持续不断地为整个建筑的供暖、生活热水提供能量的源泉.平板太阳能集热器与幕墙的完美结合,实现了在建筑上大面积、低成本安装太阳能,并且保持了建筑的完美外观，实现了太阳能光热技术大面积普及应用的突破.大楼的智能化监控系统可以时时监测每个区域甚至每个房间的能耗，以及整个办公楼的能耗及节能状况，计量各个绿色能源提供能量的多少。利用无线网络技术，在办公楼的任何地方随时都可以通过自己的电脑查询并控制每个区域的温度、湿度、空气质量以及空调或采暖系统的运行状态。
4、太阳能集热墙体进行了大量研究
太阳能建筑在调整住宅能耗结构,保障建筑能源安全，降低温室气体排放，保护大气环境，提高国民生活质量等诸多方面产生积极的影响.国内外学者对太阳能集热墙体进行了大量研究。Arulanandam等在1999年利用ＣＦＤ模型集热板小孔传热进行了模拟研究,Li针对太阳能集热组合墙系统，分析了太阳辐射及环境温度变化时，组合墙内传热与流动变化。王崇杰等对太阳能集热系统作了实验研究，张学伟等针对长江中下游地区太阳能墙体的使用进行了分析。研究结果表明了新型太阳能集热墙的可行性和优越行。
四、太阳能集热器结构和材料及其原理
太阳能收集器主要包括太阳能集热器、聚光型收集器和太阳能电池等，目前已市场化利用的太阳能集热器主要是铜管金属平板型、玻璃真空盲管型集热器,铜管金属平板型简称管板型占国外太阳能集热器总量的95％以上，玻璃真空盲管型简称真空管型占我国太阳能集热器总量的95％以上。
太阳能集热器主要分为闷晒式和循环式，其原理都是温室效应，阳光穿过透明盖板照射在黑色表面的流体容器上，黑色表面将阳光能量转化为热能由容器壁传递给流体，部分阳光在黑色表面转化为长波红外线向外发射,多数透明盖板如玻璃板、塑料薄膜等基本上不允许长波红外线穿过，流体容器的四周和下方有保温材料，从而使进入太阳能集热器的太阳光的能量被封闭在太阳能集热器中，其中相当部分转化为流体的热能.
五、有关于集热墙的模拟结果分析
下面两幅图是东北石油大学，大庆油田工程建设有限公司，贾永英，张蕾等利用ＣＦＤ技术对新型太阳能集热墙系统采暖房间的温度场进行的模拟结果.

图3 新型集热墙体采暖房间温度场

图4 对比集热墙体采暖房间温度场
从图3和4可以看出，新型太阳能集热墙体316K对比集热墙体采暖房间的最高温度为310K;经计算，平均温度分别为300.08K和298.32K.1.5 m高度处，新型集热墙内壁面温度约为294。75K，北侧墙内壁面温度约为292.75K，室内空气温度大约为297.9K。对比集热墙内壁面温度约为294。1K,北侧墙内壁面温度约为292。6K，室内空气温度大约为296。5K。新型集热墙和对比集热墙的的分布趋势大致相同，集热墙顶部和底部的热流密度都约为零,其他部位自下而上均呈递增趋势，新型集热墙的递增梯度要明显大于对比集热墙的递增梯度，变化分别约为0~27W／㎡ 和0~19W／㎡。
总结
1、通过比较可知，目前的各种采暖方式存在各自的优缺点，如地暖采暖方式高效、节能、运行费用低但工程施工流程复杂,空调采暖系统调节方便但能耗问题很显著.
2、江苏地区的太阳能资源丰富程度总体不是很高、稳定性变化大.
3、通过对太阳能集热器结构及原理的分析,参考对太阳能集热墙的模拟结果结果太阳能集热墙可以得到25℃左右的室内采暖温度，可见太阳能幕墙集热器有一定的可行性。
4、可以将太阳能幕墙集热器与其他形式的采暖方式相结合，在太阳能资源丰富的季节为建筑的采暖节约能源。
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