2第二章太阳能热利用(1)太阳能

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如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间 aI 的长波辐射： t z t air 21 out
（3）建筑能耗模拟分析软件
GATE，60年代末，美国，稳态计算 现在 美国：DOE-2、BLAST、EnergyPlus、NBSLD 英国：ESP 日本：HASP 中国：DeST
太阳能利用技术
王一平 天津大学化工学院
2015-3-19
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调课建议

经与教务处协商，在不影响总教学时数 的情况下，太阳能利用技术课程可以由 每次课2学时调整为3学时，提前到第十 一周结课。同学们意下如何？
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第二章 太阳能热利用
§2.1太阳能传热基本理论 §2.2太阳能集热器 §2.3太阳能热水器 §2.4太阳灶和太阳能干燥

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2014年我国太阳能热水器保有量达到4.14亿平 方米，增长10.4%。 2014年，我国主被动式太阳房超过2500万㎡； 太阳灶235万台，其中出口到非洲等国家和地 区有70万台左右。 据不完全统计，我国已建各种类型的太阳能干 燥装置200多座，总采光面积近20000平方米。 太阳能海水淡化等技术还处于应用示范阶段。

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采用选择性涂层作为吸热体的光热转换材料，要 涂层有高的太阳吸收比，低的发射率。 采用磁控溅射技术的多层（渐变）铝－氮/铝选择
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(b)采光面积
太阳辐射进 入集热器的 最大投影面 积（图中斜 线面积）
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(c)总面积
整个集热器 的最大投影 面积（图中 斜线面积）
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不同辐照度\不同温差下集热器效率
光损失
集 热 器 效 率
热损失
集热器与环境温度之差 (oC)
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集热器效率的特点
集热器效率是变数，不是常数，与集热器工作温 度、环境温度和太阳辐照度有关； 效率曲线在y轴上的截距表示集热器可获得的最大 效率； 效率曲线的斜率值表示集热器总热损系数的大小； 效率曲线在x轴上的交点值表示集热器可达到的最 高温度。
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(6)集热器效率 定义：在稳态 ( 或准稳态 ) 条件下，集热器传 热工质在规定时段内输出的能量与规定的 集热器面积和同一时段内入射在集热器上 的太阳辐照量的乘积之比。
Qu AG
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集热器面积 不同定义的集热器面积会影响集热器 的效率 吸热体面积 三种定义 采光面积 总面积
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(a)吸热体面积 吸热板的最 大投影面积 （图中斜线 面积）
低透low-e (Low-emissivity)玻璃
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（2）室外空气综合温度
太阳直 射辐射 大气长 波辐射 太空散 射辐射 对流 换热
环境长波辐射
壁体得热
地面 长波 辐射
地面反射辐射
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考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相 当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温 度值。 如果考虑围护结构外表面与天空和周围物体之间 的长波辐射： aI Q
3
§2.1太阳能传热基本理论
1.传热学基础 2.建筑传热基础
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1.传热学基础
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（1）导热
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导热基本定律
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（2）对流
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对流传热基本特点
9
对流换热的基本定律
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表面传热系数
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（3）辐射换热
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电磁波谱
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辐射换热基本特点
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2.建筑传热基础
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（1）围护结构传热
围护结构的热作用过程：无论是通过围护结构 的传热传湿还是室内产热产湿，其作用形式包 括对流换热（对流质交换）、导热（水蒸汽渗 透）和辐射三种形式。

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美国（反应系数法）

DOE-2
由美国能源部主持，美国 LBNL开发，于 1979年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软 件，是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟 商用软件，用户数估计达到1000~2500家。 其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法。

EnergyPlus
美国LBNL 90年代开发的商用、教学研究用 的建筑热模拟软件。采用的是传递函数法 （反应系数法）。
(4)集热器盖板
无盖板 适用气温较高地区游泳池加热，成本低廉，加热水温 低，流量大。 单层盖板（+吸热板上覆盖非选择性涂层） 适用于春夏秋三季生产40-46oC低温生活热水。 单层盖板（+吸热板上覆盖选择性涂层） 适用于春夏秋三季生产60-70oC低温生活热水。 双层盖板（+吸热板上覆盖选择性或非选择性涂层） 用于环境寒冷地区，但由光学效率降低，影响总体效 45 率。
空气集热器
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(2)按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类
聚光集热器
非聚光集热器
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(3)按是否跟踪太阳分类 跟踪集热器
非跟踪集热器
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(4)按集热器的工作温度分类
--低温集热器
工作温度在100℃以下 --中温集热器 工作温度在100一200℃ --高温集热器 工作温度在200℃以上
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(5)按隔热方式分类 平板集热器
真空集热器
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2.平板型太阳能集热器
(1) 构成


平板太阳集热器构造示意图
吸热体——吸收太阳辐射能，将 其转换为热能，并向工质传递热 量的部件。材料种类很多，有铜、 铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀 锌钢、塑料、橡胶等。 透明盖板——覆盖吸热板，由透 明或半透明材料组成。目前材料 主要有两大类：平板玻璃（专门 用于太阳能集热器的低铁平板玻 璃）和玻璃钢板。
非选择性涂层是指其光学特性与辐射波 长无光的吸收涂层； 选择性涂层是指其光学特性随辐射波长 不同有显著变化的吸收涂层。

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(5)集热器隔热材料选择
绝热性能
决定于导热系数，需考虑温度、湿度等的影响。
耐热性
其耐热温度应高于集热器的闷晒温度。
抗腐蚀性
不得对吸热体和其它部件产生腐蚀作用。
机械强度 增强集热器机械强度。
(d)蛇管式吸热体
特征：蛇管式吸热板是将金属管弯曲成蛇形，然后再与 平板焊接构成吸热体。材料一般采用铜，焊接工艺采用 高频焊接或超声焊接。 优点： a.不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性； b.热效率高，无结合热阻； c.水质清洁，钢管不会被腐蚀； d.保证质量，整个生产过程实现机械化； e.耐压能力强，钢管可以承受较高的压力。 缺点： a.流动阻力大，流体通道不是并联而是串联； 44 b.焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。

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3.真空管型太阳集热器
（1）真空管集热器定义及特点
真空集热器：将吸热体与透明盖层之间抽成真空 的太阳集热器。 主要特点：减少集热器的传导、对流和辐射热损 失。 从受力情况和密封角度，通常将真空太阳集热器 基本单元做为圆管形状，而不是平板。

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（2）真空管集热器分类

全玻璃真空管集热器，吸热体由玻璃管组成；

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(2) 传热示意图
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(3) 吸热体基本类型
a 管板式Βιβλιοθήκη Baidu
b 翼管式 c 扁盒式 d 蛇管式
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(a)管板式吸热体
特征：将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带， 然后再与上下集管焊接成吸热体。 结合方式：热碾压成型，高频焊接，超声焊接等 铜铝复合条(热碾压成型)优点： a.热效率高：热碾压使铜管和铝板之间达到冶金结合，无 结合热阻； b.水质清洁：接触水的部分是铜材，不会被腐蚀； c.保证质量：生产过程完现机械化； d.耐压能力强：用高压空气吹胀成型。
http://www.esru.strath.ac.uk/Programs/ESP-r.htm
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中国（状态空间法）

DeST
90年代清华大学开发的建筑与HVAC系统分析和辅助 设计软件。负荷模拟部分采用状态空间法，把建筑物的 AT Bu 热过程模型表示成： CT 状态空间法的求解是在空间上进行离散，在时间上保持 连续。 其解的稳定性及误差与时间步长无关，因此求解过程所 取时间步长可大至1小时，小至数秒钟。但状态空间法 与反应系数法相同之处是均要求系统线性化，不能处理 相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。
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(c)扁盒式吸热体
特征： 扁盒式吸热板是将两块金属板分别模压成型，然后再 焊接成一体构成吸热体。材料可采用不锈钢、铝合金、镀锌 钢等。 优点： a．热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻； b．不需要焊接集管，流体通道和集管采用一次模压成型。 缺点： a.焊接工艺难度大，容易出现焊接穿透或者焊接不牢； b.耐压能力差，平直部分及焊点不能承受较高的压力； c.动态特性差，流体通道的横截面大，吸热板有较大热容； 43 d. 水质不易保证，铝合金和镀锌钢都会被腐蚀。
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隔热层——抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部 件。用于隔热层的材料有：岩棉、矿棉、聚氨酯、聚 苯乙烯等，目前使用较多的是岩棉。 壳体——保护及固定吸热板、透明高板和隔热层的部 件。要求具有一定的强度和刚度，有较好的密封性及 耐腐蚀性，有美观的外表。材料有铝合金板、不锈钢 板、碳钢板、塑料、玻璃钢等。
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目前我国逐步兴起全铜吸热板，是将铜 管和铜板通过高频焊接或超声焊接工艺 结合在一起。 具有铜铝复合条带的所有优点，铜管可 以承受更高的压力。

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(b)翼管式吸热体
特征：利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有冀片 的吸热条带，然后再与上下集管焊接成吸热体。材料一 般采用铝合金。 优点： a.热效率高，管子和平板是一体，无结合热阻； b.耐压能力强，铝合金管可以承受较高的压力。 缺点： a.水质不易保证，铝台金会被腐蚀； b.材料用量大，工艺要求管壁和翼片都有较大的厚度； c.动态特性差，吸热板有较大的热容量。


不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表面 对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色 表面可以反射几乎90％的可见光。 围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率就 越高，反射率越低。
反射
吸收
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将具有低发射率、高红 外反射率的金属（铝、 铜、银、锡等），使用 真空沉积技术，在玻璃 表面沉积一层极薄的金 属涂层，形成 Low-e 玻 璃； 对太阳辐射不同波段有 高透和低透不同性能。
http://www.dest.com.cn/
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§2.2太阳能集热器
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主要内容
1.太阳能集热器的分类 2.平板型太阳能集热器 3.真空管型太阳能集热器 4.不同类型太阳能集热器比较
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太阳能热利用就是直接将太阳的辐射能转化 为热能的应用； 主要包括太阳热水器、太阳房、太阳灶、太 阳能干燥、太阳能海水淡化及其它工农业应 用。
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1.太阳能集热器的分类
定义：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介 质的装置。 太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键 部件。 无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房，还 是太阳能干燥、太阳能热发电等都离不开太阳能集 热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核 心部件的。
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(1)按集热器的传热工质类型分类 液体集热器
http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/
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欧洲（有限差分法）

ESP
由英国Strathclyde大学的能量系统研究组开 发的建筑与设备系统能耗动态模拟软件。采用 的是有限差分法传热过程，可模拟具有非线性 部件的建筑的热过程，如有特朗伯墙(Trombe wall) 或相变材料等变物性材料的建筑。采用 的时间步长通常以分钟为单位。该软件对计算 机的速度和内存有较高要求。
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玻璃和金属结构真空管集热器，吸热体由金属 材料组成，如U型管式真空管集热器和热管式 真空管集热器。
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（3）全玻璃真空管结构
全玻璃真空管集热器的结构
1、外玻璃管；2、内玻璃管；3、选择性吸收涂层；
4、真空夹层； 5、弹簧支架；6、消气剂； 7、保护帽
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内外玻璃管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量5%以 下；热稳定性好；热膨胀系数低3.3×10-6/℃； 耐热冲击性好，耐热温差大于200℃；有较高的 机械强度；较好的抗化学腐蚀性能；良好的光学 性能，透光率≥ 0.89）。 真空度≤5×10-2Pa。
对流换热 (对流质交换)
围护结构传热 传湿
导热 (水蒸汽渗透) 辐射
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室内产热产湿

得热(Heat Gain HG)：某时刻在内外扰作 用下进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果 得热<0，意味着房间失去热量。
对流得热 显热
得 热
潜热

辐射得热
围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存 在，通过围护结构的得热量与外扰之间存在着衰 17 减和延迟的关系。