建筑節(jié)能技術培訓課件.ppt

1、,主編 李德英,建筑節(jié)能技術,可再生能源在建筑中的應用,第九章,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,第一節(jié),太陽能光熱、光伏建筑應用,第二節(jié),熱泵技術及應用,第三節(jié),風力發(fā)電技術及應用,第四節(jié),第五節(jié),生物質能源技術及應用,1,可再生能源利用 現(xiàn)狀及發(fā)展,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,所謂可再生能源,是指那些隨著人類的大規(guī)模開發(fā)和長期利用,總的數(shù)量不會逐漸減少和趨于枯竭,甚至可以不斷得以補充,即不斷“再生”的能源資源,如太陽能、地熱、風能、水能、海洋能、潮汐能等。而非可再生能源,是指那些隨著人類的大規(guī)模開發(fā)和長期利用,總的數(shù)量會逐漸減少而趨于枯竭的一次能源,如煤、石油、天然氣等。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,

2、當今高昂的石油、汽油和天然氣價格,以及全球變暖的趨勢,在一定程度上源于化石燃料的大量消費,再加上世界上主要的石油和天然氣生產地中東能源供應的不確定性,使世界上許多國家的能源政策加快向可再生能源傾斜。盡管存在諸多效益問題,但可再生能源繼續(xù)在許多國家的能源計劃中受到重視?？稍偕茉吹沫h(huán)境效益是明顯的,也是重要的,與傳統(tǒng)的化石燃料不同,可再生能源將會永遠持續(xù)發(fā)展下去。 替代能源的開發(fā)正在加快。200多年前開始大規(guī)模使用煤炭,100多年前開始大規(guī)模使用石油,30多年前開始大規(guī)模使用天然氣,現(xiàn)在,煤炭、石油和天然氣的價格與需求均在增長之中,使用它們都有溫室氣體排放(GHG)問題?；痣姀S排放的CO2占世界

3、排放量的40%,是運輸行業(yè)排放量的一倍。即使使用天然氣替代傳統(tǒng)的燃煤,排放量也只減少一半。而用風能替代火力發(fā)電,則可避免碳排放。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,雖然來自替代能源的能源將起著不斷增長的作用,但據(jù)預測,化石燃料在未來幾十年內仍將占主要地位。今后25年內,由于各國政府的大力支持,風能和太陽能等可再生能源將以兩位數(shù)增長,雖然這些替代能源的規(guī)模還相對較小,但在世界能源構成中將日顯重要。 我國風能資源總量為7億12億kW,陸地技術可開發(fā)風能資源儲量大于海上,年發(fā)電量可達1.4萬億2.4萬億kWh;太陽能資源豐富地區(qū)的面積占國土面積96%以上,每年地表吸收的太陽能大約相當于1.7萬億t標準煤的能

4、量;當前可利用生物質資源約為2.9億t,主要是農業(yè)有機廢棄物;可開發(fā)的水能資源總量非常豐富,約為6億kWh,全國水能技術開發(fā)量至少也在5億kW以上,年可提供電量2.5萬億kWh。,據(jù)我國可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃介紹,水電是目前技術成熟和最具有經濟性的可再生能源,到2010年年底,全國水電裝機容量已達到2.16億kW,比2005年翻了近一番。2010年水電發(fā)電量為6867億kWh,占全國總發(fā)電量的16.2%,折合2.3億t標準煤,約占能源消費總量的7%。風電進入規(guī)?；l(fā)展階段,技術裝備水平迅速提高。到2010年底,風電累計并網裝機容量3100萬kW。2010年風電發(fā)電量為500億kWh。太陽

5、能熱利用日益普及,應用范圍和領域不斷擴大。到2010年底,太陽能熱水器安裝使用總量達到1.68億m2,年替代化石能源約2000萬t標準煤。生物質能多元化發(fā)展,綜合利用效益顯著。到2010年底,各類生物質發(fā)電裝機容量總計約為550萬kW。地熱能和海洋能利用技術不斷發(fā)展,產業(yè)化應用潛力較大。淺層地溫能在建筑領域的開發(fā)利用快速發(fā)展,到2010年底,地源熱泵供暖制冷建筑面積達到1.4億m2。潮汐能利用技術基本成熟,波浪能、潮流能等技術研發(fā)和小型示范應用取得進展,開發(fā)利用工作尚處于起步階段,目前已有較好的技術儲備。2010年,計入沼氣、太陽能熱利用等尚沒有納入商品能源統(tǒng)計的品種,可再生能源利用量為2.8

6、6億t標準煤,約占當年能源消費總量的8.9%。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,為實現(xiàn)“十二五”和2020年非化石能源發(fā)展目標、促進國民經濟和社會可持續(xù)發(fā)展,我國政府提出了可再生能源發(fā)展的基本原則、戰(zhàn)略目標和相應的保障措施。其基本原則如下: 市場機制與政策扶持相結合。制訂中長期可再生能源發(fā)展目標,培育長期持續(xù)穩(wěn)定的可再生能源市場,以明確的市場需求帶動可再生能源技術進步和產業(yè)發(fā)展,建立鼓勵各類投資主體參與和促進公平競爭的市場機制。通過財政扶持、價格支持、稅收優(yōu)惠、強制性市場配額制度、保障性收購等政策,支持可再生能源開發(fā)利用和產業(yè)發(fā)展。 集中開發(fā)與分散利用相結合。根據(jù)可再生能源資源和電力市場分布,加大資

7、源富集地區(qū)可再生能源的開發(fā)建設力度,建成集中、連片和規(guī)?；_發(fā)的可再生能源優(yōu)勢區(qū)域。同時,發(fā)揮可再生能源資源分布廣泛、產品形式多樣的優(yōu)勢,鼓勵各地區(qū)就地開發(fā)利用各類可再生能源,大力推動分布式可再生能源應用,形成集中開發(fā)與分散開發(fā)及分布式利用并進的可再生能源發(fā)展模式。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,規(guī)模開發(fā)與產業(yè)升級相結合。通過制訂完善的政策體系,建立持續(xù)穩(wěn)定的市場需求,不斷擴大可再生能源市場規(guī)模;在市場的規(guī)?；l(fā)展帶動下,提升自主研發(fā)能力,促進產業(yè)升級壯大和成本降低,提高可再生能源產業(yè)的市場競爭力,推動可再生能源更大規(guī)模的開發(fā)利用,形成可再生能源產業(yè)的良性循環(huán)和自主式發(fā)展。 國內發(fā)展與國際合作相結

8、合。保持穩(wěn)定增長的國內可再生能源市場需求,吸引全球技術等資源向我國聚集,形成全球有影響力的可再生能源產業(yè)基地。同時,加強多種形式的國際合作,推動我國可再生能源產業(yè)融入國際產業(yè)體系,并積極參與全球可再生能源的開發(fā)利用,促進我國可再生能源產業(yè)在全球體系中發(fā)揮重要作用。 發(fā)展的總體目標是:擴大可再生能源的應用規(guī)模,促進可再生能源與常規(guī)能源體系的融合,顯著提高可再生能源在能源消費中的比例;全面提升可再生能源技術創(chuàng)新能力,掌握可再生能源核心技術,建立體系完善和競爭力強的可再生能源產業(yè)。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,我國可再生能源近中期、長期和遠期目標如下: 近中期(2020年前后):非水能(風能、太陽能、

9、土壤等)可再生能源開發(fā)利用量可達1.7億3.2億t標準煤,占一次能源總需求(假設40億t標準煤)的4.9%9.3%:含水能(潮汐能、海洋能、水能等)可再生能源利用量可達5.4億7.6億t標準煤,比例為13%19%。此階段化石能源仍是主導能源,但隨著可再生能源技術的不斷成熟,逐步具備更大規(guī)模的推廣條件,可再生能源的貢獻比例不斷加大,將成為能源總需求中增量部分的主力軍,在該階段的戰(zhàn)略定位是替代能源。 長期(2030年前后):非水能可再生能源利用量可達3.2億6.4億t標準煤,占一次能源總需求(假設45億t標準煤)的7.2%14%:含水能可再生能源利用量可達7.9億11.6億t標準煤,比例為17%2

10、6%。屆時可再生能源將具有較強的競爭優(yōu)勢,在新增能源供應中占主導地位,在整體能源系統(tǒng)中占重要地位,成為主流能源之一。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,遠期(2050年左右):非水能可再生能源利用量可達7.2億14億t標準煤,占一次能源總需求(假設50億t標準煤)的14%28%;含水能可再生能源利用量可達12億20億t標準煤,比例為24%40%。受資源、環(huán)境和溫室氣體排放的制約,化石能源的消費和CO2排放已達到峰值,可再生能源成為主導能源之一,能源結構的根本性改變將基本實現(xiàn)。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,非可再生能源貯存量有限,終會導致枯竭;同時,礦物燃料是溫室氣體的主要來源,是導致環(huán)境污染和自然災害的

11、禍首之一。因此,開發(fā)利用可再生能源,尋找替代能源勢在必行。在各種可再生能源中,太陽能是最重要的基本能源。從廣義來說,生物質能、風能、波浪能、水能等都來自太陽能,太陽能不僅是“取之不盡、用之不竭”的,而且不產生溫室氣體、無污染,是有利于保護環(huán)境的潔凈能源。我國具有豐富的可再生能源資源,隨著技術的進步和生產規(guī)模的擴大以及政策機制的不斷完善,在今后15年左右的時間內,太陽能熱水器、風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電、地熱供暖和地熱發(fā)電、生物質能等可再生能源的利用技術可以逐步具備與常規(guī)能源競爭的能力,有望成為替代能源。,可再生能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展,2,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能(S

12、olar Energy)一般是指太陽光的輻射能量。太陽能每年投射到地面上的輻射能高達1.051018kWh,相當于1.3106億t標準煤,大約為全世界目前一年耗能的一萬多倍,清潔安全,是永不枯竭的清潔能源,是21世紀以后人類可期待的最有希望的能源之一。而現(xiàn)階段,太陽能在建筑中的應用又是太陽能應用中最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖褂妙I域。 現(xiàn)代建筑為滿足居住者的舒適要求和使用需要,需具備供暖、空調、熱水供應、供電(包括照明、電器)等一系列功能。太陽能建筑應用領域的科研、技術、產品開發(fā)和工程應用的總體目標,就是用太陽能代替常規(guī)能源來滿足建筑物的上述功能要求。隨著世界太陽能技術水平的不斷提高和進步,應能利用太陽能

13、滿足房屋居住者舒適水平和使用功能所需要的大部分能源供應。 太陽能的利用主要通過光-熱、光-電、光-化學、光-生物質等幾種轉換方式實現(xiàn)。基于這些轉換方式,太陽能在建筑上的應用包括太陽能光熱建筑應用、太陽能光伏建筑應用以及太陽能綜合利用。,太陽能光熱建筑應用主要包括太陽能熱水、太陽能供暖及光熱太陽能制冷空調。 1.太陽能熱水系統(tǒng) 太陽能熱水系統(tǒng)是指利用溫室原理,將太陽輻射能轉變?yōu)闊崮?并向冷水傳遞熱量,從而獲得熱水的一種系統(tǒng)。它由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)管道、支架、控制系統(tǒng)及相關附件組成,必要時需要增加輔助熱源。其中,太陽能集熱器是太陽能熱水系統(tǒng)中,把太陽能輻射能轉換為熱能的主要部件。 (1)太陽能

14、集熱器經過多年的開發(fā)研究,太陽能集熱器已經進入較為成熟的階段,主要有三大類:悶曬式太陽能集熱器、平板式太陽能集熱器、真空管式太陽能集熱器。目前,使用最廣泛的為平板式太陽能集熱器和真空管式太陽能集熱器。,太陽能光熱、光伏建筑應用,1)悶曬式太陽能集熱器。悶曬式太陽能集熱器是最簡單的集熱器,集熱器與水箱合為一體,直接通過太陽能輻射照射加熱水箱內的水,冷熱水的循環(huán)和流動在水箱內部進行,加熱后直接使用,是人類早期使用的太陽能熱水裝置。其工作溫度低,成本廉價,全年太陽能量利用率約為20%,多用在我國農村地區(qū),但其結構笨重,熱水保溫問題不易解決。表9-1匯總了幾種具有代表性的悶曬式太陽能熱水裝置。,太陽能

15、光熱、光伏建筑應用,2)平板式太陽能集熱器。平板式太陽能集熱器是在17世紀后期發(fā)明的,直到1960年以后才真正進入深入研究和規(guī)模化應用。其吸熱面積與透光面積相同,又稱為非聚光型太陽能集熱器。除悶曬式太陽能集熱器以外,平板式太陽能集熱器的制造成本最低,但每年只能有67個月的使用時間,冬季不能有效使用,防凍性能差,運行溫度不得低于0。在夏季多云和陰天時,太陽能吸收率較低。,圖9-1平板式太陽能集熱器及截面圖,太陽能光熱、光伏建筑應用,平板式太陽能集熱器的工作原理是:在一塊金屬片上涂以黑色,置于陽光下,以吸收太陽能輻射而使其溫度升高;金屬片內有流道,使流體通過并帶走熱量;向陽面加玻璃罩蓋,起溫室效應

16、,背板上襯墊保溫材料,以減少板對環(huán)境的散熱,提高太陽能集熱器的熱效率。平板式太陽能集熱器一般由吸熱板、蓋板、保溫層和外殼4部分組成。圖9-2所示為平板式太陽能集熱器的結構示意圖。吸熱板的結構形式很多,圖9-3所示為吸熱板的常見斷面形狀。,圖9-3吸熱板的常見斷面形狀,圖9-2平板式太陽能集熱器的結構示意圖 1玻璃蓋板2保溫材料3吸熱板4排管 5外殼6散射太陽能輻射7直射太陽能輻射,太陽能光熱、光伏建筑應用,平板式太陽能集熱器損失大,難以達到80以上的工作溫度,冬季熱效率低。由于吸收膜層暴露在空氣中,高溫條件下氧化嚴重,流道細,易結垢且無法清除,系統(tǒng)一般運行45年后熱性能即急劇下降。現(xiàn)階段在我國

17、大中城市中使用較少,多用在我國廣東、福建南部、海南地區(qū)。但由于其造價、熱效率、人工費用等方面的特點與歐洲國家的國情和氣候特點相符,所以在歐洲各國有著較廣泛的市場和較大的市場占有率。 3)真空管式太陽能集熱器。為了減少平板式太陽能集熱器的熱損,提高集熱溫度,國際上20世紀70年代研制成功了真空集熱管,其吸收體被封閉在高真空的玻璃真空管內,充分發(fā)揮了選擇性吸收涂層的低發(fā)射率及降低熱損的作用,最高溫度可以達到120。根據(jù)集熱管的集熱、取熱的不同結構,表9-2匯總了不同種類的真空管,包括全玻璃真空集熱管、熱管式真空集熱管、U形管式真空集熱管、同軸套管式真空集熱管、內聚光式真空集熱管、直通式真空集熱管、

18、貯熱式真空集熱管。,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能光熱、光伏建筑應用,(續(xù)),太陽能光熱、光伏建筑應用, 全玻璃真空集熱管,采用管內裝水,在運行過程中若有一根管壞掉,整個系統(tǒng)就停止運行。 熱管式真空集熱管,在全玻璃真空管中插入焊接有金屬翼片的熱管,結構復雜及造價高。 U形管式真空集熱管,是在全玻璃真空管中插入U形金屬管,玻璃管不直接接觸被加熱流體,在低溫環(huán)境中散熱少,整體效率高;以水為工質時,存在金屬管凍裂和結垢問題。 同軸套管式真空集熱管,是在熱管的位置上用兩根內外相套的金屬管代替玻璃管,工作時,冷水從內管進入真空管,被吸熱板加熱后,熱水通過外管流出;直接加熱工質,熱效率較高。 內聚光式真

19、空集熱管,是在真空管內加聚光反射面的一種集熱管,管中的聚光集熱器能將陽光會聚在面積較小的吸熱面上,運行溫度較高,有時可達150以上。 直通式真空集熱管,傳熱介質由吸熱管的一端流入,經在真空管內加熱后,從另一端流出,運行溫度高且易于組裝,特別適合應用于大型太陽能熱水工程。如果與聚光反射鏡結合使用,其溫度可達300400。,太陽能光熱、光伏建筑應用, 貯熱式真空集熱管,是將大直徑真空集熱管與貯熱水箱結合為一體的真空管熱水器,白天使用時,冷水通過內插管徐徐注入,將熱水頂出使用;到晚上,由于有真空隔熱,筒內的熱水溫度下降很慢。其結構緊湊,不需要水箱,可根據(jù)用戶需求來設計。 (2)系統(tǒng)的分類及運行方式

20、1)系統(tǒng)的分類。根據(jù)實際用途,太陽能熱水系統(tǒng)分為供家庭使用的太陽能熱水系統(tǒng)(通常稱為家用太陽能熱水系統(tǒng))和供大型浴室、住宅及酒店等建筑集中使用的太陽能熱水系統(tǒng)(或稱為太陽能熱水工程)。根據(jù)國家標準規(guī)定,貯熱水箱水容量在600L以下的為家用太陽能熱水系統(tǒng)。 根據(jù)太陽能集熱系統(tǒng)與太陽能熱水供應系統(tǒng)的關系,太陽能熱水系統(tǒng)分為直接式系統(tǒng)(一次循環(huán)系統(tǒng))和間接式系統(tǒng)(也稱二次循環(huán)系統(tǒng))。 太陽能熱水系統(tǒng)按有無輔助熱源分為有輔助熱源系統(tǒng)和無輔助熱源系統(tǒng)。按供熱水范圍分為集中供熱水系統(tǒng)、局部供熱水系統(tǒng);按系統(tǒng)是否承壓又為承壓太陽能熱水系統(tǒng)和非承壓太陽能熱水系統(tǒng)。,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能熱水系統(tǒng)按水

21、箱與集熱器的關系分為緊湊式系統(tǒng)、分離式系統(tǒng)和悶曬式系統(tǒng)。悶曬式系統(tǒng)是指集熱器和貯水箱結合為一體的系統(tǒng);緊湊式系統(tǒng)是指集熱器和貯水箱相互獨立,但貯水箱直接安裝在太陽能集熱器上或相鄰位置的系統(tǒng);分離式系統(tǒng)是指貯水箱和太陽能集熱器之間分開一定距離安裝的系統(tǒng)。在實際太陽能熱水系統(tǒng)工程中,主要使用分離式系統(tǒng)。其中,緊湊式及分離式太陽能熱水系統(tǒng)的常見形式見表9-3。,太陽能光熱、光伏建筑應用,2)系統(tǒng)的運行方式。按系統(tǒng)中水的流動方式,大體上可分為自然循環(huán)式、直流式和強制循環(huán)式3大類。自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)又可以分為自然循環(huán)式、自然循環(huán)定溫放水式。直流式,也稱變流量定溫式,直接利用自來水壓力或其他附加壓力。太陽

22、能熱水系統(tǒng)形式匯總見表9-4。,太陽能光熱、光伏建筑應用,(續(xù)),太陽能光熱、光伏建筑應用,(3)太陽能熱水系統(tǒng)建筑應用長期以來,家用太陽能熱水器一般是在房屋建成后,由用戶直接購買,由經銷商上門安裝的,如圖9-4所示。這種利用方式會對建筑物外觀和房屋相關使用功能造成一定影響和破壞,制約了太陽能熱水器在建筑上的應用與發(fā)展。因此,發(fā)展出了太陽能熱水器/系統(tǒng)一體化建筑。表9-5所示為幾個太陽能熱水系統(tǒng)建筑應用案例。,圖9-4某小區(qū)屋頂真空管式太陽能熱水器,太陽能光熱、光伏建筑應用,2.太陽能供暖 太陽能供暖分為主動式和被動式兩大類。主動式太陽能供暖是以太陽能集熱器、管道、風機或泵、末端散熱設備及儲熱

23、裝置等組成的強制循環(huán)太陽能供暖系統(tǒng);被動式則是通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置,內部空間的外部形態(tài)的巧妙處理,以及建筑材料和結構、構造的恰當選擇,使房屋在冬季能集取、保持、存儲、分布太陽熱能,適度解決建筑物的供暖問題。運用被動式太陽能供暖原理建造的房屋稱為被動式供暖太陽房。主動式太陽能供暖系統(tǒng)由暖通工程師設計,被動式供暖太陽房則主要由建筑師設計。 (1)被動式供暖太陽房被動式供暖太陽房的類型很多,到目前為止尚無統(tǒng)一的劃分標準,分類方法也不盡相同。從太陽能的利用方式來區(qū)分,被動式供暖太陽房可分為兩大類,直接受益式和間接受益式。直接受益式,太陽能輻射能直接穿過建筑透光面進入室內;間接受益式,太陽能

24、通過一個接受部件(或稱太陽能集熱器),這種接受部件實際上是建筑組成的一部分或在屋面或在墻面,而太陽能輻射能在接受部件中轉換成熱能再經由送熱方式對建筑供暖。直接受益式和間接受益式的被動式供暖太陽房可分為以下6種:,太陽能光熱、光伏建筑應用,1)直接受益式:太陽光穿過透光材料直接進入室內的供暖形式,如圖9-5所示。 直接受益式的太陽房,本身成為一個包括太陽能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體。這種太陽能供暖方式最直接、最簡單,效果也最好,但是當在夜間且建筑物保溫和蓄熱性能較差時,室內降溫快,溫度波動大。有效的措施是增加透光面的夜間保溫,如選用活動保溫窗簾(圖9-6a)、保溫扇(圖9-6b)、保溫板等。

25、,圖9-5直接受益式,圖9-6活動保溫窗簾和活動保溫扇,太陽能光熱、光伏建筑應用,2)集熱蓄熱墻式:太陽光穿過透光材料照射集熱蓄熱墻,墻體吸收輻射熱后以對流、傳導、輻射方式向室內傳遞熱量的供暖形式,如圖9-7所示。它是間接受益式被動式供暖太陽房的一種。 透光面后面的墻體一般采用具有一定蓄熱能力的混凝土或磚砌體,又名“特朗勃墻”(Trombe Wall)。通常墻體上開有上下通風口:冬季,在玻璃和墻體夾層中的空氣被加熱后,形成向室內輸送熱風的對流循環(huán),夜間關閉上下通風口,以防止逆循環(huán);夏季,只通過墻上部的氣孔與室外通風,排出室內熱空氣。另外一種形式是在玻璃后面設置一道“水墻”,通過“水墻”向室內傳

26、導、輻射或對流傳遞熱量,如圖9-8所示,國內較少見,主要應用在國外。,圖9-7集熱蓄熱墻式,圖9-8水墻集熱蓄熱墻式,太陽能光熱、光伏建筑應用,3)附加陽光間式:在房屋主體南面附加一個玻璃溫室,被加熱的空氣可以直接進入室內或者熱量通過房間和溫室之間的蓄熱墻傳入室內,如圖9-9所示。白天,陽光間將熱量傳向室內;夜間則作為室內外的緩沖區(qū),減少房間熱損失。也可以在陽光間加設保溫,以增加冬季夜間的保溫效果;或在陽光間內種植蔬菜和花草美化環(huán)境,如圖9-10所示。,圖9-9附加陽光間式,圖9-10陽光間內種植蔬菜和花草,太陽能光熱、光伏建筑應用,4)屋頂集熱蓄熱式:利用屋頂進行集熱蓄熱。利用屋頂進行集熱器

27、蓄熱,以及在屋頂設置集熱蓄熱裝置,并加設活動保溫板,夏季保溫板夜開晝合,冬季夜合晝開,從而實現(xiàn)夏季降溫和冬季供暖雙重作用。屋頂不設置保溫層,只起到承重和圍護作用。但活動保溫板面積較大,操控困難。另一種方法是修建水屋面,但由于承重問題,不利于抗震防震。兩種屋面形式如圖9-11所示。,圖9-11集熱蓄熱屋面,太陽能光熱、光伏建筑應用,5)熱虹吸式(又稱對流環(huán)路式):利用熱虹吸作用通過自然循環(huán)向室內散熱,并設置有蓄熱體,如圖9-12所示。 這種形式的太陽房適用于建在山坡上的房屋,集熱器低于建筑物地面。一般借助建筑地坪與室外地面的高差位置安裝空氣集熱器,并用風道與設在室內地面以下的卵石儲熱床相連通。白

28、天集熱器中的空氣(或水)被加熱后,由溫差產生熱虹吸作用,通過風道(或水管)上升到上部的巖石貯熱層,熱量被巖石吸收變冷再流回集熱器底部,進行下一次循環(huán)。夜間巖石貯熱層通過送風口以對流方式向房間供暖。這種形式一般要借助風扇強制循環(huán)。,圖9-12對流環(huán)路集熱方式,太陽能光熱、光伏建筑應用,6)綜合式:由上述兩種或兩種以上的基本類型組合而成的被動式太陽房。不同類型的被動式太陽房都有各自的獨特之處,不同供暖方式的結合使用,就可以形成互為補充的、更為有效的被動式太陽能供暖系統(tǒng)。圖9-13所示是由直接受益窗和集熱墻兩種形式集合而成的綜合式太陽房,可同時具有白天自然照明和全天太陽能供暖比較均勻的優(yōu)點。,圖9-

29、13直接受益窗和集熱墻綜合式太陽房,太陽能光熱、光伏建筑應用,(2)主動式太陽能供暖主動式太陽能供暖系統(tǒng)主要由集熱器、貯熱器、供暖末端設備、輔助加熱裝置和自動控制系統(tǒng)等部分組成。按熱媒種類的不同,主動式太陽能供暖系統(tǒng)可分為空氣加熱系統(tǒng)及水加熱系統(tǒng)。 1)空氣加熱系統(tǒng)。圖9-14所示是以空氣為集熱介質的太陽能供暖系統(tǒng)。其中,風機1的作用是驅動空氣在集熱器與貯熱器之間循環(huán),讓空氣吸收集熱器中的供暖板的熱量,然后傳送到貯熱器儲存起來,或直接送往建筑物。風機2的作用則是驅動空氣在建筑物與貯熱器之間循環(huán),讓建筑物內冷空氣在貯熱器中被貯熱介質加熱,然后送往建筑物。由于太陽能輻射能量在每天,尤其是一天當中變

30、化很大,一般來說需安裝鍋爐或電加熱器等輔助加熱裝置。,圖9-14太陽能空氣加熱系統(tǒng),太陽能光熱、光伏建筑應用,集熱器是太陽能供暖的關鍵部件。由于空氣的容積比熱容較小,與集熱器中供暖板的換熱系數(shù)較水而言也小得多;因此,應用空氣作為集熱介質時,需集熱器有一個較大的體積和傳熱面積。當前已研制出幾種空氣太陽能集熱器的供暖板,如圖9-15所示。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是集熱器不會出現(xiàn)凍壞和過熱情況,可直接用于熱風供暖,控制使用方便;缺點是所需集熱器面積大。,圖9-15幾種空氣太陽能集熱器的供暖板,太陽能光熱、光伏建筑應用,2)水加熱系統(tǒng)。水加熱太陽能供暖系統(tǒng)是指利用太陽能加熱水,然后讓被加熱的水通過散熱器向室內供

31、暖的系統(tǒng)。它同太陽能熱水系統(tǒng)非常相似,只是太陽能熱水系統(tǒng)是生產熱水直接供生活使用,而水加熱太陽能供暖系統(tǒng)則是將生產的熱水流過安裝在室內的散熱器向室內散熱。水加熱太陽能供暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)的關鍵部件都是太陽能集熱器,在太陽能熱水系統(tǒng)已做介紹,這里不再贅述。圖9-16所示是以水為集熱介質的太陽能供暖系統(tǒng)。,圖9-16以水為集熱介質的太陽能供暖系統(tǒng),太陽能光熱、光伏建筑應用,此系統(tǒng)以貯熱水箱與輔助加熱裝置作為供暖熱源。當有太陽能可采集時,開動水泵1,使水在集熱器與水箱之間循環(huán),吸收太陽能來提高水溫;水泵2的作用是保證負荷部分供暖熱水的循環(huán);旁通管路可以避免用輔助能量加熱貯熱水箱。 根據(jù)設計要求,

32、一般有三種工作狀態(tài):假設供暖熱媒溫度為40、回水溫度為25,當收集溫度超過40時,輔助加熱裝置就不工作;當收集溫度介于4025之間,水循環(huán)通過貯熱水箱,輔助加熱器起補充作用,把水溫提高到40;當收集溫度降到25以下,系統(tǒng)中水量只通過旁通管路,供暖所需熱量全部由輔助加熱裝置提供,暫不使用太陽能。 3.太陽能光熱空調制冷 太陽能制冷空調主要可以通過光-熱和光-電轉換兩種途徑實現(xiàn)。光-熱轉換制冷是指太陽能通過太陽能集熱器轉換為熱能,根據(jù)所得到的不同熱能品位,驅動不同的熱力機械制冷。太陽能熱力制冷可能的途徑主要有除濕冷卻空調、蒸氣噴射制冷、朗肯循環(huán)制冷、吸收式制冷/吸附式制冷和化學制冷等。,太陽能光熱

33、、光伏建筑應用,光-電轉換制冷是指太陽能通過光伏發(fā)電轉化為電力,然后通過常規(guī)的蒸氣壓縮制冷、半導體熱電制冷或斯特林循環(huán)等方式來實現(xiàn)制冷。圖9-17所示為太陽能制冷技術途徑。本書只介紹太陽能光熱空調制冷。,圖9-17太陽能制冷技術途徑,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能空調的最大優(yōu)點在于季節(jié)適應性好。一方面,夏季烈日當頭,太陽輻射能量劇增,在炎熱天氣下,人們迫切需要空調制冷;另一方面,由于夏季太陽輻射能量增加,使依靠太陽能來驅動的空調系統(tǒng)可以產生更多的冷量;太陽能空調系統(tǒng)的制冷能力隨著太陽輻射能量的增加而增大,正好與夏季人們對空調的迫切要求相匹配。 (1)太陽能吸收式制冷系統(tǒng)太陽能吸收式制冷系統(tǒng),

34、是利用太陽能集熱器提供吸收式制冷循環(huán)所需要的熱源,保證吸收式制冷機正常運行,從而實現(xiàn)制冷的系統(tǒng)。它包括太陽能熱利用系統(tǒng)和吸收式制冷系統(tǒng)兩個部分,一般由太陽能集熱器、吸收式制冷機、空調箱(或風機盤管)、輔助加熱器、水箱和自動控制系統(tǒng)等組成。太陽能吸收式制冷原理如圖9-18所示。,太陽能光熱、光伏建筑應用,圖9-18太陽能吸收式制冷原理,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能吸收式空調可以實現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖、全年提供生活熱水等多項功能。 夏季時,被加熱的熱水首先進入貯水箱,達到一定溫度后,向吸收式制冷機提供熱源水,降溫后再流回貯水箱;而從吸收式制冷機流出的冷凍水通入空調房間實現(xiàn)制冷。當太陽能集熱器提

35、供的熱量不足以驅動吸收式制冷機時,由輔助熱源提供熱量。 冬季時,相當于水加熱太陽能供暖系統(tǒng),被太陽能集熱器加熱的熱水流入貯水箱,當熱水溫度達到一定值時,直接接入空調房間實現(xiàn)供暖。當熱量不足時,也可以使用輔助熱源。 在非空調供暖季節(jié),就相當于太陽能熱水系統(tǒng),只要將太陽能集熱器加熱的熱水直接通向生活熱水貯水箱,就可以提供所需的生活熱水。,太陽能光熱、光伏建筑應用,(2)太陽能吸附式制冷系統(tǒng)太陽能吸附式制冷主要是利用具有多孔性的固體吸附劑對制冷劑的吸附(或化學吸收)和解吸作用實現(xiàn)制冷循環(huán)的。吸附劑和制冷劑形成吸附制冷工質對。制冷溫度低于零度的常用工質對為活性炭-甲醇等,建筑空調系統(tǒng)制冷溫度高于零度的

36、常用工質對為沸石-水、硅膠-水等。吸附劑的再生溫度一般在80150,適合利用太陽能。 吸附式制冷通常包含以下兩個階段: 1)冷卻吸附蒸發(fā)制冷:通過水、空氣等熱沉帶走吸附劑顯熱與吸附熱,完成吸附劑對制冷劑的吸附,制冷劑的蒸發(fā)過程實現(xiàn)制冷。 2)加熱解吸冷凝排熱:吸附制冷完成后,再利用熱能(如太陽能、廢熱等)提供吸附劑的解吸熱,完成吸附劑的再生,解吸出的制冷劑蒸氣在冷凝器中釋放熱量,重新回到液體狀態(tài)。,太陽能光熱、光伏建筑應用,圖9-19所示為太陽能吸附式制冷原理。 太陽能吸附式制冷根據(jù)制冷系統(tǒng)的運行方式一般可分為連續(xù)式制冷系統(tǒng)和間歇式制冷系統(tǒng)。建筑空調系統(tǒng)中應用一般需要連續(xù)運行,因此需要多個吸附

37、床聯(lián)合運行,在某個吸附床解吸時其他吸附床可以吸附制冷。,圖9-19太陽能吸附式制冷原理,太陽能光熱、光伏建筑應用,(3)太陽能除濕制冷系統(tǒng)太陽能除濕式制冷通過吸濕劑吸附空氣中的水蒸氣,降低空氣的濕度來實現(xiàn)制冷。它的制冷過程實際是直流式蒸發(fā)冷卻空調過程,不借助專門的制冷機。它利用吸濕劑對空氣進行減濕,然后將水作為制冷劑,在干空氣中蒸發(fā)降溫,對房間進行溫度和濕度的調節(jié),用過的吸濕劑則被加熱進行再生。系統(tǒng)使用的吸濕劑有固態(tài)吸濕劑(如硅膠等)和液態(tài)吸濕劑(如氯化鈣、氯化鋰等)兩類。除濕器可采用蜂窩轉輪式(對于固態(tài)干燥劑)和填料塔式(對于液態(tài)干燥劑)兩種形式。 采用固體吸濕劑系統(tǒng),如圖9-20所示,其運

38、行原理為:室外空氣通過除濕轉輪后濕度降低,溫度升高,通過換熱器后被空調排風冷卻,然后進入蒸發(fā)加濕器蒸發(fā)降溫變成低溫飽和空氣進入房間;在房間內被加熱后變成不飽和空氣;房間的不飽和排風通過第二級的蒸發(fā)冷卻后溫度降低,在換熱器中溫度升高,然后進入太陽能空氣集熱器進一步升溫,升溫后的空氣將除濕轉輪中的吸濕劑再生后排入室外。轉輪的迎風面可以分成工作區(qū)和再生區(qū),轉輪緩慢旋轉,從工作區(qū)移動到再生區(qū),又從再生區(qū)返回到工作區(qū),從而使除溫過程和再生過程周而復始地進行。,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能集熱器也可以采用液體集熱器,然后通過換熱器來加熱再生用的熱風。圖9-21給出了與液體太陽能集熱器配合使用的轉輪式太

39、陽能除濕冷卻空調裝置示意圖。該裝置采用水作為制冷劑,清潔環(huán)保,但在濕度較大地區(qū)效果較差,且體型較大,一般用在需要大量新風的建筑中。,圖9-20轉輪式太陽能除濕制冷系統(tǒng),圖9-21轉輪式太陽能除濕冷卻空調裝置示意圖,太陽能光熱、光伏建筑應用,采用液體吸濕劑的制冷系統(tǒng),主要是利用除濕溶液再生溫度低的特點,通過太陽能集熱器將太陽輻射能量收集起來用于除濕空調吸濕劑的再生。 (4)太陽能蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)太陽能蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng),是將太陽能作為驅動熱機的熱源,使熱機對外做功,帶動蒸汽壓縮制冷機來實現(xiàn)制冷的。它主要由太陽集熱器、蒸汽輪機和蒸汽壓縮式制冷機3大部分組成,它們分別依照太陽集熱器循環(huán)、熱機循環(huán)和

40、蒸汽壓縮式制冷機循環(huán)的規(guī)律運行。 (5)太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)主要由太陽集熱器和蒸汽噴射式制冷機兩大部分組成,它們分別依照太陽集熱器循環(huán)和蒸汽噴射式制冷機循環(huán)的規(guī)律運行。在整個系統(tǒng)中,太陽能集熱器循環(huán)只用來為鍋爐熱水運行預加熱,以減少鍋爐燃料消耗,降低燃料費用。其工作原理如圖9-22所示。,太陽能光熱、光伏建筑應用,圖9-22太陽能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)工作原理示意圖,太陽能光熱、光伏建筑應用,1.光伏發(fā)電原理 “光伏發(fā)電”是將太陽光的光能直接轉換為電能的一種發(fā)電形式,其發(fā)電原理是“光生伏打效應”。如圖9-23所示,普通的晶體硅太陽能電池由兩種不同導電類型(n型和p型)的

41、半導體構成,分為兩個區(qū)域:一個正電荷區(qū),一個負電荷區(qū)。當陽光投射到太陽能電池時,內部產生自由的電子-空穴對,并在電池內擴散,自由電子被p-n結掃向n區(qū),空穴被掃向p區(qū),在p-n結兩端形成電壓,當用金屬線將太陽能電池的正負極與負載相連時,在外電路就形成了電流。太陽能電池的輸出電流受自身面積和光照強度的影響,面積較大的電池能夠產生較強的電流。,圖9-23光伏發(fā)電原理,太陽能光熱、光伏建筑應用,2.光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池板直接將太陽輻射能轉化成電能的系統(tǒng),主要由太陽能電池板、電能儲存元件、控制器、逆變器以及負載等部件構成,如圖9-24所示。,圖9-24光伏發(fā)電系統(tǒng)組成示

42、意圖,太陽能光熱、光伏建筑應用,(1)太陽能電池板 1)太陽能電池的分類。太陽能電池板是太陽能光伏系統(tǒng)的關鍵設備,多為半導體材料制造,發(fā)展至今,已種類繁多,形式各樣。 從晶體結構來分,有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。 從材料體型來分,有晶片太陽能電池和薄膜太陽能電池。 從內部結構的p-n結多少或層數(shù)來分,有單節(jié)太陽能電池、多節(jié)太陽能電池或多層太陽能電池。 按照材料的不同,還可分為如下幾類: 單晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池是由圓柱形單晶硅錠修掉部分圓邊,然后切片而成的,所以單晶硅太陽能電池成準正方形(四個角呈圓弧狀)。因制造商不同,其發(fā)電效率為14%17%。圖9-25

43、所示為單晶硅太陽能電池片及電池組件。,太陽能光熱、光伏建筑應用, 多晶硅太陽能電池。多晶硅太陽能電池是由方形或矩形的硅錠切片而成的,四個角為方角,表面有類似冰花一樣的花紋。其電池效率只有約12%,但是制造所需能量較單晶硅太陽能電池低約30%。圖9-26所示為多晶硅太陽能電池片及電池組件。,圖9-25單晶硅太陽能電池片及電池組件,圖9-26多晶硅太陽能電池片及電池組件,太陽能光熱、光伏建筑應用, 非晶硅薄膜太陽能電池。它是由硅直接沉積到金屬襯板(鋁、玻璃甚至塑料)上生成薄膜光電材料后,再加工制作而成的,如圖9-27所示。它可以制作成連續(xù)的長卷,可以與木瓦、屋面材料,甚至書包結合到一起。但非晶硅材

44、料經長時間陽光照射后不穩(wěn)定,目前多用于手表和計算器等小型電子產品中。 化合物半導體太陽能電池。太陽能電池還可以由半導體化合物制作,如砷化鎵太陽能電池、鎵銦銅太陽能電池、硫化鎘太陽能電池、碲化鎘太陽能電池和鎵銦磷太陽能電池等。,圖9-27非晶硅薄膜太陽能電池,太陽能光熱、光伏建筑應用,2)太陽能電池、組件及方陣。單體太陽能電池是太陽能電池的最基本單元;多個電池片串聯(lián)而成太陽能電池組件,它是構成最小實用型功率系統(tǒng)的基本單元;將多個太陽能電池組件組裝在一起組成光伏方陣。圖9-28所示為電池片、組件、電池板和方陣。,圖9-28電池片、組件、電池板和方陣,太陽能光熱、光伏建筑應用,3)組件的串聯(lián)和并聯(lián)。

45、太陽能電池件組件同普通電源一樣,也采用電壓值和電流值標定。在充足的陽光下4050W組件的標稱電壓是12V(最佳電壓17V),電流大約為3A。組件可以根據(jù)需要組合到一起,以得到不同電壓和電流的太陽能電池板。 (2)電能儲存元件由于太陽能輻射隨天氣陰晴變化無常,光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和能量隨時在波動,使得負載無法獲得持續(xù)而穩(wěn)定的電能供應,電力負載在與電力生產量之間無法匹配。為解決上述問題,必須利用某種類型的能量儲存裝置將光伏電池板發(fā)出的電能暫時儲存起來,并使其輸出與負載平衡。 目前,光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用最普遍的能量儲存裝置是蓄電池組,白天轉換來的直流電儲存起來,并隨時向負載供電;夜間或陰天時再釋

46、放出電能。蓄電池組還能在陽光強弱相差過大或設備耗電突然發(fā)生變化時,起一定的調節(jié)作用。 (3)控制器在運行中,控制器用來報警或自動切斷電路,以保證系統(tǒng)負載正常工作。 (4)逆變器逆變器的功能是將直流電轉變成交流電。,太陽能光熱、光伏建筑應用,3.建筑光伏應用 在建筑物上安裝光伏系統(tǒng)的初衷是利用建筑物的光照面積發(fā)電,既不影響建筑物的使用功能,又能獲得電力供應。建筑光伏應用一般分為建筑附加光伏(BAPV)和建筑集成光伏(BIPV)兩種。 建筑附加光伏(BAPV)是把光伏系統(tǒng)安裝在建筑物的屋頂或者外墻上,建筑物作為光伏組件的載體,起支承作用;建筑集成光伏(BIPV)是指將光伏系統(tǒng)與建筑物集成一體,光伏

47、組件成為建筑結構不可分割的一部分;如果拆除光伏系統(tǒng)則建筑本身不能正常使用。 建筑光伏應用有以下幾種形式: (1)光伏系統(tǒng)與建筑屋頂相結合光伏系統(tǒng)與建筑屋頂相結合,日照條件好,不易受到遮擋,可以充分接收太陽輻射;光伏屋頂一體化建筑,由于綜合使用材料,可以節(jié)約成本,如圖9-29所示。,太陽能光熱、光伏建筑應用,(2)光伏與墻體相結合多、高層建筑外墻是與太陽光接觸面積最大的外表面。為了合理地利用墻面收集太陽能,將光伏系統(tǒng)布置于建筑物的外墻上。這樣既可以利用太陽能產生電力,滿足建筑的需求;還可以有效降低建筑墻體的溫度,從而降低建筑物室內空調冷負荷。如圖9-30所示,光伏組件附著于墻面。,圖9-29住宅

48、、廠房及上海世博會主題館光伏屋頂,圖9-30光伏組件附著于墻面,太陽能光熱、光伏建筑應用,(3)光伏幕墻它由光伏組件同玻璃幕墻集成化而來,不多占用建筑面積,優(yōu)美的外觀具有特殊的裝飾效果,更賦予建筑物鮮明的現(xiàn)代科技和時代特色。圖9-31所示為正泰太陽能C廠房薄膜幕墻。圖9-32所示為某光伏幕墻內景。 (4)光伏組件與遮陽裝置相結合太陽能電池組件可以與遮陽裝置結合,一物多用,既可有效地利用空間,又可以提供能源,在美學與功能兩方面都達到了完美的統(tǒng)一,如停車棚等。圖9-33所示為建筑物光伏遮陽及太陽能光伏車棚圖例。,圖9-31正泰太陽能C廠房薄膜幕墻,圖9-32某光伏幕墻內景,太陽能光熱、光伏建筑應用

49、,(4)光伏組件與遮陽裝置相結合太陽能電池組件可以與遮陽裝置結合,一物多用,既可有效地利用空間,又可以提供能源,在美學與功能兩方面都達到了完美的統(tǒng)一,如停車棚等。圖9-33所示為建筑物光伏遮陽及太陽能光伏車棚圖例。,圖9-33建筑物光伏遮陽及太陽能光伏車棚圖例,太陽能光熱、光伏建筑應用,太陽能在建筑中的綜合利用,即利用太陽能滿足房屋居住者舒適水平和使用功能所需要的大部分能量供應,如供暖、空調、熱水供應、供電等。 1.光伏光熱系統(tǒng) 光伏光熱系統(tǒng),即實現(xiàn)太陽能光伏和光熱綜合利用的系統(tǒng)。其所用設備稱為光伏光熱一體化組件,一般稱為PV/T (photovoltaic/thermal collector

50、)。根據(jù)試驗表明,硅光伏發(fā)電模塊的實際發(fā)電量不僅取決于吸收和傳輸?shù)奶栞椛?還取決于電池的實際工作溫度溫度每升高1K,則光伏發(fā)電模塊的發(fā)電量將降低額定容量的0.5%。因此,通過在太陽能光伏板背部回收熱量,降低光伏板溫度,既可以提高電池發(fā)電效率,又可以獲得額外的熱量,供其他方面利用,即實現(xiàn)太陽能熱電聯(lián)產。 根據(jù)實現(xiàn)功能不同,光伏光熱系統(tǒng)可分為光伏熱水系統(tǒng)、光伏供暖系統(tǒng)、光伏空調系統(tǒng)。根據(jù)光伏板背面冷卻介質不同,光伏光熱系統(tǒng)一般分為風冷卻系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、制冷劑冷卻系統(tǒng)等。,太陽能光熱、光伏建筑應用,(1)風冷卻光伏光熱系統(tǒng)即用空氣冷卻光伏板背面,降低光伏板溫度;同時,加熱后的空氣,也可以用作其他

51、用途,如供暖等。一般風冷卻采用自然對流,熱風不做回收,主要目的是提高太陽能發(fā)電效率。圖9-34所示為Solar Wall公司PV/T空氣冷卻墻。 (2)水冷卻光伏光熱系統(tǒng)即用水冷卻光伏板背面,降低光伏板溫度;同時,加熱后的水,也可以用作其他用途,如供暖、生活熱水、空調制冷。也可以與熱泵結合,提高熱量品位后,再用作供暖、生活熱水、空調制冷等功能;一般這樣的系統(tǒng),稱為非直膨式光伏熱泵系統(tǒng),但多處于試驗階段。圖9-35所示為廣州番禺光伏光熱一體化組件工程,系統(tǒng)類型為集中供暖;圖9-36所示為SYE總部光伏光熱一體化組件工程,也是集中供暖。,圖9-34Solar Wall公司PV/T空氣冷卻墻,太陽能

52、光熱、光伏建筑應用,圖9-35廣州番禺光伏光熱一體化組件工程新建建筑,圖9-36SYE總部光伏光熱一體化組件工程既有建筑,太陽能光熱、光伏建筑應用,(3)制冷劑冷卻光伏光熱系統(tǒng)即通過制冷劑吸取光伏板熱量,降低光伏板溫度,提高光伏板效率,并為熱泵系統(tǒng)提供熱量,即作為熱泵的熱源、蒸發(fā)器,提高熱利用率;這樣的系統(tǒng),一般稱為直膨式光伏熱泵系統(tǒng)。 直膨式光伏熱泵系統(tǒng)和非直膨式光伏熱泵系統(tǒng)是光伏熱泵系統(tǒng)的兩種主要形式之一,但由于成本較高,目前大多處于試驗階段,既有建筑應用很少。 2.其他太陽能綜合利用 根據(jù)建筑物的用能特點,供暖負荷和空調負荷是季節(jié)性的,熱水負荷是全年性的,太陽能供暖系統(tǒng)和太陽能制冷系統(tǒng)在

53、設計階段就已經考慮太陽能的綜合應用,即在非供暖季和非空調季利用太陽能生產生活熱水。,太陽能光熱、光伏建筑應用,根據(jù)太陽能功能與建筑物結合的方式,太陽能的綜合利用還可以分為以下幾種系統(tǒng)形式。 (1)集熱器-蓄熱器系統(tǒng)集熱器安裝在南向的墻面上,蓄熱器也安裝在南向的墻面上,即集熱器和蓄熱器合并成建筑物結構的一部分。這種系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)冬季供暖。 (2)集熱器-散熱器-蓄熱器系統(tǒng)集熱器、散熱器和蓄熱器作為維護結構的屋面,屋面設置可以移動的隔熱裝置,可以使系統(tǒng)在供暖季的白天吸收太陽能,夏天可以向天空輻射,實現(xiàn)了冬季供暖和夏季空調的功能。 (3)集熱器-散熱器-熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)的集熱器沒有蓋板,白天集熱,夜間

54、散熱,利用貯熱、冷水箱給建筑物供暖或者空調;系統(tǒng)中安裝的熱泵,用于保持冷、熱水箱之間的溫差。集熱器安裝在屋面,散熱器為頂棚輻射板,都作為圍護結構的一部分,系統(tǒng)可以供暖方式運行(冬天)、空調方式運行(夏天)、供暖和空調方式運行(過渡季)。 以上三種系統(tǒng)適用于層數(shù)不多的建筑,需要建筑物有足夠的位置安裝集熱器等相關附件。,太陽能光熱、光伏建筑應用,3,熱泵技術及應用,熱泵技術及應用,1.熱泵及熱泵系統(tǒng)的介紹 熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。顧名思義,熱泵也就是像泵那樣,可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉換為可以利用的高位熱能

55、,從而達到節(jié)約部分高位能(如煤、燃氣、石油、電能等)的目的。 由此可見,熱泵的定義涵蓋了以下優(yōu)點: 1)熱泵雖然需要消耗一定量的高位能,但所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能與吸取的低位熱能的總和。也就是說,應用熱泵,用戶獲得的熱量永遠大于所消耗的高位能。因此,熱泵是一種節(jié)能裝置。 2)理想的熱泵可設想為節(jié)能裝置(或稱節(jié)能機械),由動力機和工作機組成熱泵機組。 利用高位能來推動動力機(如汽輪機、燃氣機、燃油機、電動機等),然后再由動力機來驅動工作機(如制冷機、噴射器)運轉,工作機像泵一樣,把低位的熱能輸送至高品位,以向用戶供暖。,3)熱泵既遵循熱力學第一定律,在熱量傳遞與轉換的工程中遵循守恒的數(shù)

56、量關系;又遵循熱力學第二定律,熱量不可自發(fā)、不付出代價地、自動地從低溫物體轉移至高溫物體。在熱泵的定義中明確指出,熱泵是靠高位能拖動,迫使熱量由低溫物體傳遞給高溫物體的。 熱泵原理如圖9-37所示。,圖9-37熱泵原理,熱泵技術及應用,2.熱泵系統(tǒng)的分類 熱泵的種類很多,分類方法各不相同,可按熱源種類、熱驅動方式、用途、工作原理、工藝類型等來分類。 按工作原理分為蒸汽壓縮式熱泵、氣體壓縮式熱泵、蒸氣噴射式熱泵、吸收式熱泵、熱電式熱泵、化學熱泵,按熱源分為空氣熱泵、地表水熱泵、地下水熱泵、城市自來水熱泵、土壤熱泵、太陽能熱泵、廢熱熱泵,按用途分為住宅用熱泵、商業(yè)及農業(yè)用熱泵、工業(yè)用熱泵,按供暖溫

57、度分為低溫熱泵100),按驅動方式分為電動機驅動熱泵、熱驅動熱泵,按熱源與供暖介質的組合方式分為空氣-空氣熱泵、空氣-水熱泵、水-水熱泵、水-空氣熱泵、土壤-空氣熱泵、土壤-水熱泵,按功能分為單純制熱熱泵、交替制冷與制熱熱泵、同時制冷與制熱熱泵,按壓縮機類型分為往復活塞式熱泵、渦旋式熱泵、滾動轉子式熱泵、螺桿式熱泵、離心式熱泵,按機組的安裝形式分為單元式熱泵、分體式熱泵、現(xiàn)場安裝式熱泵,按熱量提升分為初級熱泵、次級熱泵、第三級熱泵。,熱泵技術及應用,空氣源熱泵系統(tǒng)是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,采用電能驅動,通過傳熱工質把自然界的空氣中的熱能有效吸收,并將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中

58、的設備。在不同的工況下,熱泵熱水機組每消耗1kW電能就從低溫熱源中吸收26kW的免費熱量,節(jié)能效果非常顯著。熱泵熱水機組由壓縮機、蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器等部件組成。其工作原理是通過壓縮機做功,使工質產生物理變相(氣態(tài)液態(tài)氣態(tài)),利用這一往復循環(huán)相變過程不斷吸熱和放熱,由吸熱裝置吸取免費的熱量,經過換熱器使冷水升溫,制取的熱水通過水循環(huán)系統(tǒng)送至用戶。 空氣-水式空氣源熱泵裝置的構造原理如圖9-38所示。,熱泵技術及應用,圖9-38空氣-水式空氣源熱泵裝置的構造原理,熱泵技術及應用,空氣源熱泵系統(tǒng)區(qū)別于其他熱泵系統(tǒng)最主要在于其熱源方面,空氣源熱泵系統(tǒng)的熱源是空氣,這種熱源形式利用最方便,但是由于空

59、氣溫度隨季節(jié)變化很大,冬季環(huán)境溫度的晝夜變化很大,環(huán)境溫度降低時系統(tǒng)則因為蒸發(fā)冷凝溫差增加,供熱量反而減小;在夏季,天氣炎熱時室內需要的冷量也就越大,系統(tǒng)卻會因為冷凝溫度的上升,制冷量反而減小。因此,滿足最惡劣狀況的要求進行熱泵系統(tǒng)設計、生產、選型是空氣源熱泵系統(tǒng)基本要求。一般來講,除了寒冷地區(qū)單供暖的形式外,按照夏季冷負荷選擇的機組能夠滿足冬季供暖的要求。在室外供暖計算溫度很低的寒冷地區(qū),空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度將很低。壓縮機在高壓比下工作,必然導致壓縮機的容積效率、指示效率下降。這樣熱泵的制熱能力和制熱性能系數(shù)都將下降,因此在這些地區(qū)最好采用雙級壓縮的熱泵系統(tǒng),或者采用超低溫數(shù)碼渦旋蒸氣地板輻射供暖系統(tǒng)。,熱泵技術及應用,空氣源熱泵中央空調系統(tǒng)的特點如下: 1)高效節(jié)能、運行可靠:變頻技術、數(shù)碼渦旋空氣源熱泵技術、雙級壓縮技術、準二級壓縮、噴液增焓、噴液汽化冷卻技術的不斷發(fā)展,極大地豐富了熱泵技術,加之熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計、精心制造、模塊化組合,機組互為備用等先進技術的運用,在很大程度上提高了空氣源熱泵機組運行的可靠性,保證了熱泵系統(tǒng)可靠、高效、節(jié)能地運行。 2)節(jié)約投資:一機兩用,夏季供冷、冬季供暖,節(jié)