蒸发式太阳能集热器的应用分析

知识点：集热器

0 引言

现今温室效应已经严重影响了全球环境，为了保护环境，减少能源浪费和减少温室气体的排放势在必行。在2016年，全球154个国家签署了联合国气候变化框架公约。2008年，英国政府以将2050年二氧化碳的排放量减少到2010年二氧化碳排放量的80%为目标。2010年，英国的总二氧化碳排放量为563.8吨，这意味着2050年的二氧化碳排放量不能超过113吨。另一方面，一份来自天气变化委员会的报告指出在英国大概18%的温室气体排放来自建筑并且大部分建筑温室气体的排放是由于燃料燃烧。同时调查显示，用于建筑采暖的能耗占中建筑能耗的65%[1]。因此，减少燃料的燃烧是最有效的减少温室气体排放和减少资源浪费的方法之一。

为了满足节能减排的需要，在建筑中使用蒸发式太阳能集热器辅助空气源热泵可以一定程度上减少建筑能耗。在该文章中，主要介绍了蒸发式太阳能集热器的使用原理，并通过SWIFT软件模拟单独使用空气源热泵和空气源热泵结合蒸发式太阳能集热器两种系统的能耗来分析蒸发式太阳能集热器的可行性、节能效果和经济效应。

该系统模拟模型为一位于英国，卡迪夫的独栋两层住宅。该地区的气候条件为温性海洋性气候。建筑面积为95，包含两间卧室、客厅、厨房、卫生间等。通过DesignBuilder软件，得出该住宅在单独使用空气源热泵作为采暖方式的情况下，一年的电力能耗情况为3462kWh。其中该建筑可安置蒸发式太阳能集热器集热钢板的外墙面积为23。

1 蒸发式太阳能集热器工作原理

现在已经有多种开始使用的太阳能集热器，例如蒸发式太阳能集热器（如图1）、平板式太阳能集热器（如图2）、真空式太阳能集热器（如图3）和集中式太阳能集热器（如图4）等。由于本文主要研究的方向为太阳能集热器和空气源热泵的结合，文中主要研究蒸发式太阳能集热器的工作性能和经济效益。

                 图1 蒸发式太阳能集热器                       图2 平板式太阳能集热器

 

                图3 真空式集热器                             图4 太阳能集中式集热器

蒸发式太阳能集热器使用一面安装在建筑南面墙体上的有排孔深色压型钢板作为太阳能吸收装置。它的作用是将太阳能转换为热能。此外，在建筑墙体和蒸发式太阳能集热器中有15厘米的空气间隙[2]。该系统与室内通风系统结合，建筑内部的通风系统将外部未加热空气通过太阳能吸收板升温后进入房间以达到采暖的效果。其工作原理图见图5。

当建筑内部温度满足要求不需要采暖时，该系统可以关闭，如图6。空气直接通过进风口进入建筑内部，或使用该系统将该部分太阳能转换的热量用于热水系统。

图5发式太阳能集热器工作原理图

 

图6夏季蒸发式太阳能集热器工作原理图

2 蒸发式太阳能集热器优缺点介绍

优点

1）  其最明显优点为俭省建筑采暖能耗。第一，蒸发式太阳能集热器可以使用太阳能预热外部低温空气，根据模拟软件模拟现实，安装蒸发式太阳能集热器可以减少大约20%到50%的冬季室内冷负荷。

2）  同时建筑外墙与太阳能集热板之间的空气空间可以降低墙体的传热系数。

3）  除此之外，通常情况下，蒸发式太阳能集热器的使用寿命为30年，在使用期间，温室气体的排放会有显著的降低。

缺点

1）  蒸发式太阳能集热器系统的价格明显高于其他种类采暖体统，对于新造建筑，这将大幅度提高建筑造价。

2）  由于该系统以太阳能为主，因此安装在建筑南侧墙体上可以达到最高的转换效率，又因为太阳能吸收板的颜色通常为深色，对于建筑外观造型会造成一定的影响。

3）  由于空气流速会对蒸发式太阳能集热器系统的使用造成很大的影响。流速过快时，空气间隙内的冷空气不能及时被集热板加热，从而降低系统供热效率。因此，蒸发式太阳能集热器系统并不适用对于室内换气次数要求过高的建筑。

4）  由于蒸发式太阳能集热器依靠太阳能转换热能，因此该系统具有很高的天气要求，不可单独作为采暖系统，只能作为辅助供暖系统，并有一定的地域局限性。

3 建筑模型能耗模拟分析

SWIFT模拟软件由加拿大清洁能源组织开发，主要用于模拟蒸发式太阳能集热器。该软件可以模拟多种外部因素对蒸发式太阳能集热器的效果影响，例如外部空气温度、太阳能辐射强度、空气流速等。本模拟中主要集中于蒸发式太阳能集热器系统空气流速对于系统节能效率的影响。在相同温湿度、太阳辐射强度的条件下，得到的系统能耗如下表所示。

表1 在不同空气流速下的蒸发式太阳能集热器的能源消耗情况

 

4 蒸发式太阳能集热器的经济效益

根据英国政府提供的数据，2017年英国电价为0.16镑/kWh。因此，单一空气源热泵的系统采暖花费为566镑而结合系统的能源花费为181镑。英国普通品牌的家用空气源热泵的价格为1377镑。蒸发式太阳能集热器的平均价格为120.67镑/平方米。在本工程中，总使用蒸发式太阳能集热器的面积为23平方米，因此，该结合系统的价格为4152镑。

	空气源热泵	结合系统
系统花费（镑）	1377	4152
电费（镑）	566	181

表2 该项目采暖费用总结表

通过表2可以计算出若干年后的系统累计采暖费用，如表3所示。

表3 两种系统的年累计费用

通过表3可以得出，空气源热泵和蒸发式太阳能集热器结合系统的累计花费在7年之后会低于单一的空气源热泵系统。通常情况下，蒸发式太阳能集热器的使用寿命为20年。与此同时，蒸发式太阳能集热器不仅节约了能耗也减少了温室气体的排放。因此，该结合系统在不影响室内人体舒适感的前提下，减少能耗、减少温室气体排放、节省采暖费用，具有较高的可使用性。

5 结语

本文简单介绍蒸发式太阳能集热器的工作原理，使用建筑能耗模拟软件分析了空气源热泵和蒸发式太阳能集热器结合系统的节能效果和经济效益。得出蒸发式太阳能集热器可以有效地帮助建筑采暖系统节省更多的能源，减少更多的温室气体的排放。并在单体价格高出普通采暖系统的条件下，系统运行花费更低。

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