《太阳能利用》第三章 太阳能利用基本原理第三章太阳能利用基本原理太阳能利用与建筑节能Utilizationsolarenergybuildingenergyconservation第三章太阳能利用基本原理太阳能利用与建筑节能太阳能利用与建筑节能1.概述到达建筑外表面的太阳辐射,可分别通过建筑透明围护结构和非透明围护结构进入室内,两者热传递机理不同太阳能集热器作为主要的太阳辐射热收集装置,在市场上类型多样,主要有平板式、全玻璃真空管、为保证太阳能利用的可靠性,克服太阳能的波动性、随机性,设置热蓄调装置是主要手段之一太阳能利用基本原理透明和非透明围护结构的热过程太阳能集热器的集热原理太阳能热蓄调过太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程太阳辐射热量Q投射到建筑透明围护结构表面上时，一部分热量Q进入透明围护结构后被吸收；其余部分Q透过透明围护结构进入室内。2.1太阳辐射的透过、吸收与反射太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程当辐射强度为I的太阳光以入射入射到两种不同介质分界面AB上时,一部分被反射,其强度为I太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程太阳光在透明介质中的吸收与透射太阳辐射通过透明介质的透过率和吸收率分别可表示为:dI=-K/dxexp(-KL)透明介质对于太阳辐射的吸收规律与大气层对太阳光谱的吸收规律相同,即太阳辐射强度按照指数关系衰减,其表达式为：太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程光线进入透明构件内后，在两个界面间要经过多次反射、吸收和透过的过程。单层透明结构的透过率、吸收率和反射率单层透明板对于光线的α、ρ、τ分别为有效吸收率有效反射率有效透过率单层透明薄层太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程在双层透明板中,每层的吸收率与其分别单独存在时的吸率不同,这主要是由于两层透明板之间的无穷次反射所导致。双层透明结构的透过率、吸收率和反射率有效吸收率有效反射率有效透过率太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程2.2太阳能温室设计要求：1）良好的采光面积2）保温及蓄热构造3）结构满足强度要求4）通风、排湿、降温5）就地取材、降低成温室顶部温室南面温室蓄热层温室北墙短波长波长波太阳能温室热过程示意图太阳能温室10太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程2.3建筑透明围护结构得失热过程某时刻通过玻璃窗的传热量:昼间通过玻璃窗的传热量:夜间通过玻璃窗的传热量:通过玻璃窗的传热量由于室内外温差的存在,必然会通过玻璃窗以导热方式进行热交换,热量传入或传出室内。11太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程通过玻璃窗的太阳辐射得热HG通过单位面积无遮阳玻璃窗的太阳辐射得热量HGg透过单位面积玻璃的太阳辐射得热量玻璃吸收的太阳辐射热量向室内传递的部分通过玻璃窗透射进入室内的太阳辐射热量加热室内空气,造成室内太阳辐射得热。outDiDi12太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程我国采用标准透光材料为3mm普通玻璃,通过3mm普通玻璃的太阳能得热率即为标准太阳能得热率，其与阳光入射角的关系曲线如左图所示。标准透光材料(3mm普通玻璃)特性13太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程遮阳系数名称定义表示第一类透光材料本身的遮阳系数太阳辐射通过某种玻璃或透光材料的实际太阳得热量与通过厚度为3mm厚标准玻璃的太阳得热量SSG的比值SC第二类外窗设置遮挡设施的遮阳系数设置遮阳设施后的透光外围护结构太阳辐射得热量与未设置遮阳设施时的太阳辐射得热量之比Cn遮阳系数有透光材料本身的遮阳系数和外窗设置遮挡设施的遮阳系数两类。14太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程αk为第k层玻璃的吸收率;为第k层玻璃吸收的辐射热向室内传导的比率。refSHGCSCSHGC外窗设置遮挡设施的遮阳系数。太阳能得热系数透光材料遮阳系数15太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程外窗设置遮挡设施的遮阳系数C的物理意义为设置遮阳设施后的透光外围护结构太阳辐射得热量与未设置遮阳设施时的太阳辐射得热量之比。玻璃窗内遮阳设施的遮阳系数Cn16太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程透过玻璃窗的得失热关系计算透过实际透光材料的太阳辐射得热量时,需对SC和Cn进行修正HG=(SSGDiSSGD为对于标准透光材料的太阳直射辐射得热量;SSGd为对于标准透光材料的太阳散热辐射得热量;Xi为玻璃窗的有效面积系数,单层木窗取0.7,双层木窗取0.6,单层铝合金或钢窗取0.85,双层铝合金或钢窗取0.75,玻璃幕墙可取1.0;F为玻璃外窗总面积(m2)。通过玻璃窗的太阳辐射得热量17太阳能利用与建筑节能2.建筑透明围护结构的太阳能热过程通过玻璃窗的瞬时总得热量=通过玻璃窗的太阳辐射得热量-通过玻璃窗传向室外的热量玻璃窗类型措施HG得热部件适当增大玻璃窗面积以提高冬季室内得热HG失热部件满足采光要求的前提，适当控制玻璃窗面积，减少通过玻璃窗形成的热负荷HGHGSSGSC18太阳能利用与建筑节能3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程3.1围护结构表面传热非透明围护结构表面对太阳辐射的吸收太阳光照射在非透明围护结构外表面时,一部分会被反射,一部分会被吸收,两者的比例取决于围护结构表面反射率或吸收率。材料类别颜色吸收率α材料类别颜色吸收率α石棉水泥板0.72~0.87红砖墙0.7~0.77镀锌薄钢板灰黑0.87硅酸盐砖墙青灰0.45拉毛水泥面墙米黄0.65混凝土砌块0.65水磨石浅灰0.68混凝土墙暗灰0.73外粉刷0.4红褐陶瓦屋面0.65~0.74灰瓦屋面浅灰0.52小豆石保护屋面层0.65水泥屋面0.74白石子屋面0.62水泥瓦屋面暗灰0.69油毛毡屋面0.86建筑外围护结构表面对太阳辐射的吸收率α19太阳能利用与建筑节能3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程不同类型的表面对不同波长辐射的反射是有选择的,右图所示为不同表面在不同波长辐射下的反射率。黑色表面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而白色表面对不同波长的辐射反射率不同，可以反射几乎90%的可见光。各表面在不同辐射波长下的反射率20太阳能利用与建筑节能3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程为围护结构外表面所吸收的太阳辐射热量，包括直射和天空散射(W/m为围护结构外表面所吸收的地面反射辐射热量;ca为围护结构外表面向周围空气的对流换热量；ra为围护结构外表面向周围环境进行的辐射热量。围护结构外表面热平衡关系21太阳能利用与建筑节能3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程非透明围护结构表面的换热非透明围护结构外表面的对流传热和辐射传热的传热系数均与外 界气象条件以及外表面的温度有关,均为变量。一般采用总换热系数来 代替对流和辐射换热的综合。 ca——围护结构外表面传热系数(W/m 0a——系统发射率 22 太阳能利用与建筑节能 3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程 系统发射率 ，可认为ε0a 基本上等于ε 100100 5.76 100100 5.76 5.76 23太阳能利用与建筑节能 3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程 有效辐射围护结构外表面与外界的实际辐射换热量,应为外表面与天空 的辐射换热量和外表面与地面辐射换热量之和。 100100 100 100 rara 为围护结构外表面与天空辐射面间的辐射系统黑度；为围护结构外表面对地面和对天空的辐射角系数； 0s 为天空当量温度，K；24 太阳能利用与建筑节能 3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程 3.2 室外空气综合温度 围护结构外表面向壁体内侧的传热量q0： 室外空气综合温度表达了室外空气温度168娱乐app下载、太阳辐射强度、地面反 射辐射和长波辐射、大气长波辐射对围护结构外表面的综合作用。 cara 25太阳能利用与建筑节能 3.建筑非透明围护结构表面太阳能热过程 3.3 围护结构的朝向修正率 各太阳能资源区朝向修正率推荐值 太阳能资 源分区 水平面 南向 东、西向 负荷节能 负荷 节能 负荷 节能 负荷 节能 30%~40%35%~45% 25%~30% 25%~35% 10%~15% 10%~20% 5% 5% 20%~25%25%~30% 10%~15% 15%~20% 5%~10% 5%~10% 0~5% 0~5% 15%~25%20%~30% 8%~15% 10%~20% 3%~8% 3%~10% 0~5% 0~5% 10%~20%15%~25% 5%~10% 5%~15% 3%~5% 3%~8% 0~3% 0~3% 朝向修正率是考虑太阳照射影响对围护结构基本传热量的修正。 26 太阳能利用与建筑节能 4.太阳能集热原理 4.1 平板集热器 平板太阳能集热器断面结构 平板太阳能集热器是一种吸收 太阳辐射能并向工质传递热量的装 置,它是一种特殊的换热器,集热器 中的工质与远距离的太阳进行热交