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，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，這無疑將成為對當今節(jié)能界的一大貢獻。
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、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，并由水泵或風機傳送至儲熱裝置內(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，從而進行降溫，達到冬暖夏涼的效果 。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)墻下通風口進入玻璃和墻體間的夾層被加熱，形成自然循環(huán);當太陽停止照射后，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。因為從傍晚到夜間，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)省大量的運行費用。
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)換器等實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，以電制冷;
2)利用太陽能集熱器等實現(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，它利用沸點較低的水作為制冷劑，沸點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，沸點較低的水被蒸發(fā)，蒸發(fā)后的水蒸氣進入冷凝器冷凝成水，冷凝水經(jīng)膨脹閥降壓后進人蒸發(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，機組的噪聲和振動比較小。但是，為了保證系統(tǒng)的可靠運行，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，制冷機的構(gòu)造復(fù)雜，國內(nèi)尚無小型吸收式制冷機商業(yè)生產(chǎn)廠家。
三、太陽能通風煙囪
自然通風是一項改善建筑熱環(huán)境、有效降低空調(diào)耗能的常用技術(shù)。當室外空氣溫度較低、濕度不大時，可直接采用自然通風降低室內(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把處理后的新風送到室內(nèi)，從而省去風機能耗。太陽能強化自然通風就是通過建造太陽能煙囪，利用太陽能來加熱房間的排風，提高排風溫度和增加熱壓，增強室內(nèi)通風風量，從而達到降低室溫的目的。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墻體式太陽能通風煙囪的結(jié)構(gòu)。其通風量受到諸多因素的影響，如太陽輻射強度、空氣通道寬度、煙囪進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量隨著空氣通道寬度和進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、進口面積、出口面積、壁面熱流、太陽輻射強度、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口面積的優(yōu)化，一般是通過實驗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行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)存在一個可以獲得最大通風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)，當間隔距離在0.2～0.3m時氣體的質(zhì)量流速最大;當間隔距離低于0.1m時，進口面積對質(zhì)量流速無影響;當間隔距離升至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。
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