平板型太陽能集熱器的原理（蒸髮式太陽能集熱器的應用分析）

2023-05-15 05:31:26

摘要：

本文簡單介紹了蒸髮式太陽能集熱器的工作原理和其優缺點。並在相同溫溼度、太陽能輻射強度的條件下通過SWIFT軟體模擬分析了蒸髮式太陽能集熱器在不同空氣流速下的節能效率。並在英國普通建築形式的模型中，分析了蒸髮式太陽能集熱器和空氣源熱泵的結合系統的可使用性和經濟效益。

0 引言

現今溫室效應已經嚴重影響了全球環境，為了保護環境，減少能源浪費和減少溫室氣體的排放勢在必行。在2016年，全球154個國家籤署了聯合國氣候變化框架公約。2008年，英國政府以將2050年二氧化碳的排放量減少到2010年二氧化碳排放量的80%為目標。2010年，英國的總二氧化碳排放量為563.8噸，這意味著2050年的二氧化碳排放量不能超過113噸。另一方面，一份來自天氣變化委員會的報告指出在英國大概18%的溫室氣體排放來自建築並且大部分建築溫室氣體的排放是由於燃料燃燒。同時調查顯示，用於建築採暖的能耗佔中建築能耗的65%[1]。因此，減少燃料的燃燒是最有效的減少溫室氣體排放和減少資源浪費的方法之一。

為了滿足節能減排的需要，在建築中使用蒸髮式太陽能集熱器輔助空氣源熱泵可以一定程度上減少建築能耗。在該文章中，主要介紹了蒸髮式太陽能集熱器的使用原理，並通過SWIFT軟體模擬單獨使用空氣源熱泵和空氣源熱泵結合蒸髮式太陽能集熱器兩種系統的能耗來分析蒸髮式太陽能集熱器的可行性、節能效果和經濟效應。

該系統模擬模型為一位於英國，卡迪夫的獨棟兩層住宅。該地區的氣候條件為溫性海洋性氣候。建築面積為95，包含兩間臥室、客廳、廚房、衛生間等。通過DesignBuilder軟體，得出該住宅在單獨使用空氣源熱泵作為採暖方式的情況下，一年的電力能耗情況為3462kWh。其中該建築可安置蒸髮式太陽能集熱器集熱鋼板的外牆面積為23。

1 蒸髮式太陽能集熱器工作原理

現在已經有多種開始使用的太陽能集熱器，例如蒸髮式太陽能集熱器（如圖1）、平板式太陽能集熱器（如圖2）、真空式太陽能集熱器（如圖3）和集中式太陽能集熱器（如圖4）等。由於本文主要研究的方向為太陽能集熱器和空氣源熱泵的結合，文中主要研究蒸髮式太陽能集熱器的工作性能和經濟效益。

蒸髮式太陽能集熱器使用一面安裝在建築南面牆體上的有排孔深色壓型鋼板作為太陽能吸收裝置。它的作用是將太陽能轉換為熱能。此外，在建築牆體和蒸髮式太陽能集熱器中有15釐米的空氣間隙[2]。該系統與室內通風系統結合，建築內部的通風系統將外部未加熱空氣通過太陽能吸收板升溫後進入房間以達到採暖的效果。其工作原理圖見圖5。

當建築內部溫度滿足要求不需要採暖時，該系統可以關閉，如圖6。空氣直接通過進風口進入建築內部，或使用該系統將該部分太陽能轉換的熱量用於熱水系統。

圖5髮式太陽能集熱器工作原理圖

圖6夏季蒸髮式太陽能集熱器工作原理圖

2 蒸髮式太陽能集熱器優缺點介紹

優點

1） 其最明顯優點為儉省建築採暖能耗。第一，蒸髮式太陽能集熱器可以使用太陽能預熱外部低溫空氣，根據模擬軟體模擬現實，安裝蒸髮式太陽能集熱器可以減少大約20%到50%的冬季室內冷負荷。

2） 同時建築外牆與太陽能集熱板之間的空氣空間可以降低牆體的傳熱係數。

3） 除此之外，通常情況下，蒸髮式太陽能集熱器的使用壽命為30年，在使用期間，溫室氣體的排放會有顯著的降低。

缺點

1） 蒸髮式太陽能集熱器系統的價格明顯高於其他種類採暖體統，對於新造建築，這將大幅度提高建築造價。

2） 由於該系統以太陽能為主，因此安裝在建築南側牆體上可以達到最高的轉換效率，又因為太陽能吸收板的顏色通常為深色，對於建築外觀造型會造成一定的影響。

3） 由於空氣流速會對蒸髮式太陽能集熱器系統的使用造成很大的影響。流速過快時，空氣間隙內的冷空氣不能及時被集熱板加熱，從而降低系統供熱效率。因此，蒸髮式太陽能集熱器系統並不適用對於室內換氣次數要求過高的建築。

4） 由於蒸髮式太陽能集熱器依靠太陽能轉換熱能，因此該系統具有很高的天氣要求，不可單獨作為採暖系統，只能作為輔助供暖系統，並有一定的地域局限性。

3 建築模型能耗模擬分析

SWIFT模擬軟體由加拿大清潔能源組織開發，主要用於模擬蒸髮式太陽能集熱器。該軟體可以模擬多種外部因素對蒸髮式太陽能集熱器的效果影響，例如外部空氣溫度、太陽能輻射強度、空氣流速等。本模擬中主要集中於蒸髮式太陽能集熱器系統空氣流速對於系統節能效率的影響。在相同溫溼度、太陽輻射強度的條件下，得到的系統能耗如下表所示。

表1 在不同空氣流速下的蒸髮式太陽能集熱器的能源消耗情況

4 蒸髮式太陽能集熱器的經濟效益

根據英國政府提供的數據，2017年英國電價為0.16鎊/kWh。因此，單一空氣源熱泵的系統採暖花費為566鎊而結合系統的能源花費為181鎊。英國普通品牌的家用空氣源熱泵的價格為1377鎊。蒸髮式太陽能集熱器的平均價格為120.67鎊/平方米。在本工程中，總使用蒸髮式太陽能集熱器的面積為23平方米，因此，該結合系統的價格為4152鎊。

表2 該項目採暖費用總結表

通過表2可以計算出若干年後的系統累計採暖費用，如表3所示。

表3 兩種系統的年累計費用

通過表3可以得出，空氣源熱泵和蒸髮式太陽能集熱器結合系統的累計花費在7年之後會低於單一的空氣源熱泵系統。通常情況下，蒸髮式太陽能集熱器的使用壽命為20年。與此同時，蒸髮式太陽能集熱器不僅節約了能耗也減少了溫室氣體的排放。因此，該結合系統在不影響室內人體舒適感的前提下，減少能耗、減少溫室氣體排放、節省採暖費用，具有較高的可使用性。

5 結語

本文簡單介紹蒸髮式太陽能集熱器的工作原理，使用建築能耗模擬軟體分析了空氣源熱泵和蒸髮式太陽能集熱器結合系統的節能效果和經濟效益。得出蒸髮式太陽能集熱器可以有效地幫助建築採暖系統節省更多的能源，減少更多的溫室氣體的排放。並在單體價格高出普通採暖系統的條件下，系統運行花費更低。

參考文獻

[1] Unfccc.int. (2016). United Nations Framework Convention onClimate Change.

[2] Federal Technology Alert. (1998). Transpired Collectors (SolarPre-heaters for

Outdoor Ventilation Air).

作者：杭州市建築設計研究院有限公司 崔伊

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