暖通空調(diào)領(lǐng)域中太陽能的應(yīng)用
隨著一些國家相繼出現(xiàn)能源危機(jī)，開發(fā)新能源越來越受到世界各國的重視。而太陽能作為一種新型的節(jié)能環(huán)保型能源，更是深受青睞。許多國家在太陽能的開發(fā)利用方面投入了巨大的人力和物力，并取得了一些杰出的成果。倘若我們能夠充分地利用這部分能量，這無疑將成為對當(dāng)今節(jié)能界的一大貢獻(xiàn)。
現(xiàn)代建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗量占整個建筑能耗的6O%左右，如果能將太陽能有效地利用到暖通空調(diào)領(lǐng)域，則建筑能耗將會有明顯降低，有利于建筑節(jié)能。目前，太陽能在暖通空調(diào)中的應(yīng)用主要有采暖、通風(fēng)、空調(diào)制冷等。
太陽能采暖
1.1主動式太陽能采暖
主動式太陽能采暖，這是早期階段的應(yīng)用方式。它主要是利用太陽能集熱器與載熱介質(zhì)經(jīng)蓄存及設(shè)備傳送向室內(nèi)供熱，其命名與被動式太陽能采暖系統(tǒng)相對應(yīng)。此系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱裝置、傳遞設(shè)備、控制部件與備用系統(tǒng)組成。集熱器吸收太陽輻射使集熱器內(nèi)的載熱介質(zhì)如水或空氣的溫度升高，并由水泵或風(fēng)機(jī)傳送至儲熱裝置內(nèi)，根據(jù)控制溫度經(jīng)過熱交換器或直接送至散熱裝置向室內(nèi)供熱，并有備用系統(tǒng)為陰天及供熱不足時使用。另外，太陽能集熱器還可以和地板輻射采暖結(jié)合，用集熱器內(nèi)的水作為地板輻射采暖供水。
1.2 被動式太陽能采暖
另一種是目前正在大力發(fā)展的被動式太陽能采暖。它通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布局，對建筑內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理，以及對建筑材料和結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)選擇，使建筑物在冬季能采集、貯存和分配太陽能，從而解決采暖問題，在夏季又能遮蔽太陽輻射，散逸室內(nèi)熱量，從而進(jìn)行降溫，達(dá)到冬暖夏涼的效果 。被動式太陽能采暖的一個典型應(yīng)用就是被動式太陽房。它是在墻體的外面裝一個玻璃墻面，讓太陽光通過玻璃透射到重質(zhì)墻體涂黑的吸熱表面上，使墻表面溫度升高，墻體同時進(jìn)行蓄熱。在冬季室內(nèi)需要供熱時，玻璃和墻體之間的熱空氣通過自然對流送入房間，而室內(nèi)冷空氣經(jīng)墻下通風(fēng)口進(jìn)入玻璃和墻體間的夾層被加熱，形成自然循環(huán);當(dāng)太陽停止照射后，則可利用重質(zhì)墻體所存儲的熱量，繼續(xù)加熱空氣，從而最大限度地利用太陽能 。但是，自由運(yùn)行的被動式太陽房的室溫常常不能維持在所要求的采暖溫度。因?yàn)閺陌淼揭归g，白天存儲的太陽輻射熱量慢慢地向室內(nèi)釋放，傍晚時釋放的熱量較多;到了深夜，釋放的能量就越來越少。因此，從子夜到黎明時分，室溫會逐漸下降，而室溫的波動，將給人以不舒適感。因此，現(xiàn)代的被動式太陽房均備有輔助能源，如小鍋爐或電熱器等，供夜間和陰雨天使用。這在一定程度上增加了初投資，但用于被動式太陽房的輔助能源的消耗量比用常規(guī)采暖的能源消耗量要少得多，可節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用。
太陽能制冷
目前利用太陽能制冷主要有兩大途徑：
1)利用光電轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，以電制冷;
2)利用太陽能集熱器等實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，以熱制冷。前者先把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用電來制冷，成本太高。所以，目前主要研究利用太陽能的熱來實(shí)現(xiàn)制冷，其主要方式有：吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷。
2.1太陽能吸收式制冷
吸收式制冷最有代表性的就是溴化鋰吸收式制冷，它利用沸點(diǎn)較低的水作為制冷劑，沸點(diǎn)較高的溴化鋰作為吸收劑，太陽能作為吸收式制冷中加熱溶液產(chǎn)生高壓蒸汽的熱源 。在溴化鋰吸收式制冷循環(huán)中，從太陽能集熱器出來的熱水，在發(fā)生器中加熱溴化鋰溶液;溶液被加熱后，沸點(diǎn)較低的水被蒸發(fā)，蒸發(fā)后的水蒸氣進(jìn)入冷凝器冷凝成水，冷凝水經(jīng)膨脹閥降壓后進(jìn)人蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中低溫低壓的水吸收冷水的熱量蒸發(fā)，從而達(dá)到降低冷水溫度的目的。此時，由于發(fā)生器中溴化鋰溶液中的水分不斷析出而使溶液濃度升高，后經(jīng)調(diào)節(jié)閥降壓后流人吸收器，吸收來自蒸發(fā)器中的水蒸氣，使溶液濃度降低，并再次送入發(fā)生器循環(huán)使用。
2.2太陽能吸附式制冷
太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要是將太陽能用于吸附材料的再生活化 ，該系統(tǒng)主要包括太陽能集熱板、吸附發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器。它利用太陽能加熱吸附發(fā)生器，使被吸附的氣態(tài)制冷劑不斷地受熱解析出來，在冷凝器中冷凝成液體，再流入蒸發(fā)器。液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中不斷蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)制冷，而蒸發(fā)的氣態(tài)制冷劑在吸附發(fā)生器中又被吸附劑吸附，吸附飽和后再次被太陽能加熱而解吸，完成循環(huán)使用。
2.3太陽能噴射式制冷
太陽能噴射式制冷主要是利用太陽能集熱器加熱制冷劑產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，然后制冷劑蒸汽通過噴嘴噴射進(jìn)行制冷。
在冬、夏季太陽能制冷系統(tǒng)都可以充分利用太陽能，設(shè)備利用率高，并且其制冷系統(tǒng)設(shè)計簡單，控制方便，機(jī)組的噪聲和振動比較小。但是，為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，往往需另設(shè)輔助鍋爐，導(dǎo)致其初投資比較大，特別是太陽能吸收式制冷，制冷機(jī)的構(gòu)造復(fù)雜，國內(nèi)尚無小型吸收式制冷機(jī)商業(yè)生產(chǎn)廠家。
三、太陽能通風(fēng)煙囪
自然通風(fēng)是一項(xiàng)改善建筑熱環(huán)境、有效降低空調(diào)耗能的常用技術(shù)。當(dāng)室外空氣溫度較低、濕度不大時，可直接采用自然通風(fēng)降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，從而節(jié)約大量能源;即使室外空氣溫度超過舒適區(qū)，也可以利用自然通風(fēng)把處理后的新風(fēng)送到室內(nèi)，從而省去風(fēng)機(jī)能耗。太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)就是通過建造太陽能煙囪，利用太陽能來加熱房間的排風(fēng)，提高排風(fēng)溫度和增加熱壓，增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)風(fēng)量，從而達(dá)到降低室溫的目的。比較典型的太陽能煙囪主要有3種：Tmmbe墻體式、豎直集熱板屋頂式和傾斜集熱板屋頂式。
3.1 Trombe墻體式
圖l為Tmmbe墻體式太陽能通風(fēng)煙囪的結(jié)構(gòu)。其通風(fēng)量受到諸多因素的影響，如太陽輻射強(qiáng)度、空氣通道寬度、煙囪進(jìn)出口寬度以及煙囪高度等。在這些因素中，空氣通道寬度對通風(fēng)量的影響是最復(fù)雜的，最佳的空氣通道寬度依賴于太陽能煙囪的高度和進(jìn)出口尺寸。
3.2豎直集熱板屋頂式
豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪與T砌nhe墻體式太陽能煙囪具有明顯的不同，豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪的空氣通道寬度與進(jìn)出口尺寸相同，因此它的最佳空氣通道寬度主要取決于煙囪的高度。
3.3傾斜集熱板屋頂式
傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪的通風(fēng)量隨著空氣通道寬度和進(jìn)出口寬度的增加而增加，不存在最佳的空氣通道寬度問題。
通過以上對3種典型太陽能煙囪的分析比較，可以看出，前兩種形式的太陽能煙囪，均存在一個空氣通道的寬度和煙囪高度的最佳關(guān)系比，因其對室內(nèi)通風(fēng)量大小具有很大的影響，設(shè)計時應(yīng)該引起設(shè)計者的注意。另外，太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)形式、空氣通道寬度、進(jìn)口面積、出口面積、壁面熱流、太陽輻射強(qiáng)度、煙囪的高度和厚度對建筑物所形成的速度場、溫度場都存在較大影響，它們直接影響建筑物室內(nèi)的通風(fēng)換氣效果。目前，有關(guān)利用太陽能煙囪來改善居住環(huán)境的研究，主要集中于玻璃窗和集熱墻體間的距離以及進(jìn)口面積的優(yōu)化，一般是通過實(shí)驗(yàn)研究和理論模擬得到最大氣體流速條件下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。Bansal等人定性地分析了太陽能煙囪與風(fēng)塔共同引發(fā)的自然對流，結(jié)果預(yù)測出太陽能煙囪的效果在低風(fēng)速下較好。
Bouchair對典型的空洞太陽能煙囪用于室內(nèi)時的自然對流過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)存在一個可以獲得最大通風(fēng)量的最佳煙囪高度和空氣通道寬度的比值;如果煙囪寬度過大，在通道中心存在空氣回流。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隔距離在0.2～0.3m時氣體的質(zhì)量流速最大;當(dāng)間隔距離低于0.1m時，進(jìn)口面積對質(zhì)量流速無影響;當(dāng)間隔距離升至O.3～0.5m時，若面積增大，氣體流速也隨之增大。同時，流速還隨著表面溫度的增加而增大 。
總結(jié)：
(1)太陽能采暖和太陽能制冷可以充分利用太陽技術(shù)交流輻射能，比常規(guī)的采暖和制冷系統(tǒng)更加節(jié)能。但是，為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，往往需附加鍋爐或電熱裝置，這在一定程度上增加了設(shè)備的初投資;
(2)Trombe墻體式和豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪，通風(fēng)量的大小與其空氣通道寬度和煙囪高度的比值有關(guān)，兩者均存在一個最佳的煙囪寬高比問題;傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪通風(fēng)量隨著空氣通道寬度的增加而增大，不存在煙囪的最佳寬高比關(guān)系問題;本文雖然分析了影響3種典型太陽能煙囪的通風(fēng)量大小的主要因素，但是針對不同的墻體材料(如磚、混凝土、絕熱保溫材料)對通風(fēng)量大小的影響方面并沒有討論，這將留作以后的后續(xù)工作研究;
(3)從目前太陽能的使用情況來看，存在的一個普遍問題是太陽能的利用效率低，只有提高了太陽能的利用效率，才能最終將太陽能的應(yīng)用大力推廣。
