太阳能在暖通空调领域中的应用分析

前言

随着一些国家相继出现能源危机，开发新能源越来越受到世界各国的重视。而太阳能作为一种新型的节能环保型能源，更是深受青睐。许多国家在太阳能的开发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。倘若我们能够充分地利用这部分能量，这无疑将成为对当今节能界的一大贡献。

现代建筑中暖通空调系统的能耗量占整个建筑能耗的6O%左右，如果能将太阳能有效地利用到暖通空调领域，则建筑能耗将会有明显降低，有利于建筑节能。目前，太阳能在暖通空调中的应用主要有采暖、通风、空调制冷等。

一、太阳能采暖

1.1主动式太阳能采暖

主动式太阳能采暖，这是早期阶段的应用方式。它主要是利用太阳能集热器与载热介质经蓄存及设备传送向室内供热，其命名与被动式太阳能采暖系统相对应。此系统由太阳能集热器、储热装置、传递设备、控制部件与备用系统组成。集热器吸收太阳辐射使集热器内的载热介质如水或空气的温度升高，并由水泵或风机传送至储热装置内，根据控制温度经过热交换器或直接送至散热装置向室内供热，并有备用系统为阴天及供热不足时使用。另外，太阳能集热器还可以和地板辐射采暖结合，用集热器内的水作为地板辐射采暖供水。

1.2被动式太阳能采暖

另一种是目前正在大力发展的被动式太阳能采暖。它通过建筑朝向和周围环境的合理布局，对建筑内部空间和外部形体的巧妙处理，以及对建筑材料和结构的恰当选择，使建筑物在冬季能采集、贮存和分配太阳能，从而解决采暖问题，在夏季又能遮蔽太阳辐射，散逸室内热量，从而进行降温，达到冬暖夏凉的效果。被动式太阳能采暖的一个典型应用就是被动式太阳房。它是在墙体的外面装一个玻璃墙面，让太阳光通过玻璃透射到重质墙体涂黑的吸热表面上，使墙表面温度升高，墙体同时进行蓄热。在冬季室内需要供热时，玻璃和墙体之间的热空气通过自然对流送入房间，而室内冷空气经墙下通风口进入玻璃和墙体间的夹层被加热，形成自然循环;当太阳停止照射后，则可利用重质墙体所存储的热量，继续加热空气，从而最大限度地利用太阳能。但是，自由运行的被动式太阳房的室温常常不能维持在所要求的采暖温度。因为从傍晚到夜间，白天存储的太阳辐射热量慢慢地向室内释放，傍晚时释放的热量较多;到了深夜，释放的能量就越来越少。因此，从子夜到黎明时分，室温会逐渐下降，而室温的波动，将给人以不舒适感。因此，现代的被动式太阳房均备有辅助能源，如小锅炉或电热器等，供夜间和阴雨天使用。这在一定程度上增加了初投资，但用于被动式太阳房的辅助能源的消耗量比用常规采暖的能源消耗量要少得多，可节省大量的运行费用。

二、太阳能制冷

目前利用太阳能制冷主要有两大途径：

1)利用光电转换器等实现光电转换，以电制冷;

2)利用太阳能集热器等实现光热转换，以热制冷。前者先把太阳能转化为电能，再利用电来制冷，成本太高。所以，目前主要研究利用太阳能的热来实现制冷，其主要方式有：吸收式制冷、吸附式制冷和喷射式制冷。

2.1太阳能吸收式制冷

吸收式制冷最有代表性的就是溴化锂吸收式制冷，它利用沸点较低的水作为制冷剂，沸点较高的溴化锂作为吸收剂，太阳能作为吸收式制冷中加热溶液产生高压蒸汽的热源。在溴化锂吸收式制冷循环中，从太阳能集热器出来的热水，在发生器中加热溴化锂溶液;溶液被加热后，沸点较低的水被蒸发，蒸发后的水蒸气进入冷凝器冷凝成水，冷凝水经膨胀阀降压后进人蒸发器，在蒸发器中低温低压的水吸收冷水的热量蒸发，从而达到降低冷水温度的目的。此时，由于发生器中溴化锂溶液中的水分不断析出而使溶液浓度升高，后经调节阀降压后流人吸收器，吸收来自蒸发器中的水蒸气，使溶液浓度降低，并再次送入发生器循环使用。

2.2太阳能吸附式制冷

太阳能吸附式制冷系统主要是将太阳能用于吸附材料的再生活化，该系统主要包括太阳能集热板、吸附发生器、冷凝器和蒸发器。它利用太阳能加热吸附发生器，使被吸附的气态制冷剂不断地受热解析出来，在冷凝器中冷凝成液体，再流入蒸发器。液态制冷剂在蒸发器中不断蒸发而实现制冷，而蒸发的气态制冷剂在吸附发生器中又被吸附剂吸附，吸附饱和后再次被太阳能加热而解吸，完成循环使用。

2.3太阳能喷射式制冷

太阳能喷射式制冷主要是利用太阳能集热器加热制冷剂产生一定压力的蒸汽，然后制冷剂蒸汽通过喷嘴喷射进行制冷。

在冬、夏季太阳能制冷系统都可以充分利用太阳能，设备利用率高，并且其制冷系统设计简单，控制方便，机组的噪声和振动比较小。但是，为了保证系统的可靠运行，往往需另设辅助锅炉，导致其初投资比较大，特别是太阳能吸收式制冷，制冷机的构造复杂，国内尚无小型吸收式制冷机商业生产厂家。

三、太阳能通风烟囱

自然通风是一项改善建筑热环境、有效降低空调耗能的常用技术。当室外空气温度较低、湿度不大时，可直接采用自然通风降低室内温度，带走潮湿气体，从而节约大量能源;即使室外空气温度超过舒适区，也可以利用自然通风把处理后的新风送到室内，从而省去风机能耗。太阳能强化自然通风就是通过建造太阳能烟囱，利用太阳能来加热房间的排风，提高排风温度和增加热压，增强室内通风风量，从而达到降低室温的目的。比较典型的太阳能烟囱主要有3种：Tmmbe墙体式、竖直集热板屋顶式和倾斜集热板屋顶式。

3.1Trombe墙体式

其通风量受到诸多因素的影响，如太阳辐射强度、空气通道宽度、烟囱进出口宽度以及烟囱高度等。在这些因素中，空气通道宽度对通风量的影响是最复杂的，最佳的空气通道宽度依赖于太阳能烟囱的高度和进出口尺寸。

3.2竖直集热板屋顶式

竖直集热板屋顶式太阳能烟囱与T砌nhe墙体式太阳能烟囱具有明显的不同，竖直集热板屋顶式太阳能烟囱的空气通道宽度与进出口尺寸相同，因此它的最佳空气通道宽度主要取决于烟囱的高度。

3.3倾斜集热板屋顶式

倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱的通风量随着空气通道宽度和进出口宽度的增加而增加，不存在最佳的空气通道宽度问题。

通过以上对3种典型太阳能烟囱的分析比较，可以看出，前两种形式的太阳能烟囱，均存在一个空气通道的宽度和烟囱高度的最佳关系比，因其对室内通风量大小具有很大的影响，设计时应该引起设计者的注意。另外，太阳能烟囱的结构形式、空气通道宽度、进口面积、出口面积、壁面热流、太阳辐射强度、烟囱的高度和厚度对建筑物所形成的速度场、温度场都存在较大影响，它们直接影响建筑物室内的通风换气效果。目前，有关利用太阳能烟囱来改善居住环境的研究，主要集中于玻璃窗和集热墙体间的距离以及进口面积的优化，一般是通过实验研究和理论模拟得到最大气体流速条件下对应的结构参数。Bansal等人定性地分析了太阳能烟囱与风塔共同引发的自然对流，结果预测出太阳能烟囱的效果在低风速下较好。

Bouchair对典型的空洞太阳能烟囱用于室内时的自然对流过程进行了实验研究，发现存在一个可以获得最大通风量的最佳烟囱高度和空气通道宽度的比值;如果烟囱宽度过大，在通道中心存在空气回流。结果还发现，当间隔距离在0.2～0.3m时气体的质量流速最大;当间隔距离低于0.1m时，进口面积对质量流速无影响;当间隔距离升至O.3～0.5m时，若面积增大，气体流速也随之增大。同时，流速还随着表面温度的增加而增大。

四、结语

(1)太阳能采暖和太阳能制冷可以充分利用太阳技术交流辐射能，比常规的采暖和制冷系统更加节能。但是，为了保证系统的可靠运行，往往需附加锅炉或电热装置，这在一定程度上增加了设备的初投资;

(2)Trombe墙体式和竖直集热板屋顶式太阳能烟囱，通风量的大小与其空气通道宽度和烟囱高度的比值有关，两者均存在一个最佳的烟囱宽高比问题;倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱通风量随着空气通道宽度的增加而增大，不存在烟囱的最佳宽高比关系问题;本文虽然分析了影响3种典型太阳能烟囱的通风量大小的主要因素，但是针对不同的墙体材料(如砖、混凝土、绝热保温材料)对通风量大小的影响方面并没有讨论，这将留作以后的后续工作研究;

(3)从目前太阳能的使用情况来看，存在的一个普遍问题是太阳能的利用效率低，只有提高了太阳能的利用效率，才能最终将太阳能的应用大力推广。