研究与评述:生态与环境雷竞技苹果下载科学杂志
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ISSN: 2347 - 7830
+ 44-7723-59-8358突尼斯加贝斯国家工程学院过程分析实验室
收到的日期: 09/01/2018;接受日期:08/03/2018;发布日期: 15/03/2018
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在本文中，两种不同概念的壁式太阳能热水器，一种是集成存储，另一种是热虹吸，创新在于通过螺纹和/或传感器的内部焊接去除任何连接，热水存储已经建立和测试。新型太阳能热水器与立面集成的设计是在预先要求和先前的研究之后进行的，即了解太阳能热水器的构成及其两个组件传感器和存储空间，众所周知的墙壁概念的存在以及由空气中的太阳能传感器形成的立面本身的加热。我们的工作导致了集成存储的壁式太阳能热水器的创新，其中传感器和存储是建筑总体设计的一个组成部分，壁式热虹吸太阳能热水器，传感器在立面，存储在内部。将太阳能热水器集成到外墙的好处是改善了建筑物的建筑“更加美观”，降低了设备的成本，并在冬季更好地拦截太阳光线，而冬季是最重要的热水需求。2017年7月，在晴朗的天空下，建造的原型机在南突尼斯“加贝斯”气候下连续三天进行了测试。对气候参数(环境温度、太阳通量)进行了跟踪，并确定了装置的有效性。从太阳能加热系统获得的水的性能是非常令人鼓舞的，它优于现有的太阳能传感器系统。实际上，集成蓄热式(IWSWH)和热虹吸式(ThWSWH)两种太阳能热水器壁面配置的热性能达到了50%左右，并且温度值非常满意地获得热水(温水)，其中集成蓄热式(ThWSWH)和热虹吸式(ThWSWH)的最大值分别为40℃和50℃。
太阳能，太阳能传感器，垂直，墙壁，温度
能源一直是人类社会关注的问题。所有的活动和人类行为都与水的丰富或缺乏密切相关。为了做到这一点，研究人员和科学家们不停地开发可有效减少对能源依赖的替代能源化石燃料。此外，向可再生、清洁和免费的其他能源过渡也是一个适当的解决办法。在可再生能源中，太阳能是一种广泛、丰富、可持续的开发资源。太阳能通常用于确保建筑物的能源需求，主要是通过光伏板供电，加热或冷却房屋，以及通过太阳能集热器提供淡水。因此，这些太阳能系统，特别是卫生用水的太阳能热水器是众所周知的，但一些残疾阻碍了它们的使用。我们引用他们的高成本，即使热水器得到补贴和维护的需要继续导致泄漏，他们是没有功能的。还有一些建筑师反对使用太阳能热水器，因为从美学上讲，后者被视为建筑物结构上的异物。因此，有必要找到一个适当的解决方案来解决所有这些问题，以推广太阳能热水器在社会各阶层的应用，甚至在不富裕的社会阶层。将太阳能热水器集成到建筑中是一种降低系统安装成本的手段，即使在施工期间，泥瓦匠也可以在当地建造该系统，并改善建筑的美学和形式体系结构在建筑的围护结构中，通过太阳能集热器加热卫生用水的方式更加有利可图。事实上，安装在屋顶上的传统太阳能热水器的性能与需求不一致，因为热水需求在冬季比夏季更重要，而在夏季，阳光自然更低，而且传感器的角度通常很弱，根据规则:倾斜等纬度的地方(I=φ)。而在冬季，即使在中午，太阳光线也相当低，因此传感器接收到的太阳能很少。此外，太阳能传感器在屋顶上的位置，特别是对于有大量居住者需要热水的多层住宅建筑来说，出现了空间问题，因为它必须为每个业主提供一个单独的表面来放置传感器和储水箱，增加了热损失，这对非常高的建筑来说是至关重要的。根据这些发现，我们的想法是利用墙壁区域将太阳能热水器整合到建筑物的立面上。实际上，传感器平面将被安装在常规墙的砖前面，这样它将成为建筑围护结构的一个元素，除了它在前面增加了一个吸收器和具有良好隔热效果的玻璃。此外，如果我们要解决不同侧面的概念，那么立面的整合导致太阳能热水器的性能非常令人满意。侧面美学和建筑必须好好研究，以方便用户接受，以及其他技术等级和做法必须检查，如夏天过热的问题，因此，建筑内部的冷却费用增加，当这个夏天的时候，可以通过适当的隔离墙和密封来避免雨水。垂直安装在前面的太阳能传感器已经在两个应用中证明了它们的有效性:以被动式太阳能加热而闻名的Trombe墙和用于主动加热的太阳能空气收集器。不同的研究人员已经发表了关于墙的概念。 They have studied the place of flow of the air: between the window and the wall or between the wall and an Insulator Interior, the number of windows, with or without insulation, store and ports of air maneuverable or not [1-6］．事实上，在Trombe墙中，传感器是一个仓库，由外面涂成黑色的混凝土墙和一扇窗户组成，以减少热量损失并产生温室效应。在密度差异的作用下，空气通过墙壁顶部和底部的孔洞自然流动。实际上，暖空气比冷空气轻，于是在热身;它通过形成低气压向顶部显示，低气压将空气从内部吸走并加热。为了避免过热的问题，设想了几种解决方案，例如板的溢出和排风到墙的上部外部。这种技术很有用，因为它允许我们消除系统性能和用户需求之间的相位差。传感器的垂直位置能够在冬季很好地拦截和吸收太阳光线，这是需要加热的时期。另一方面，安装在现有外墙的空气太阳能传感器结构紧凑，性能良好，因为传感器的垂直位置和冬季的太阳光线较低[7-10］．Hengstberger等人已经展示了垂直壁加热的影响，特别是当它包含相变材料时[10］．在这个创新中，我们将在垂直墙上安装两个太阳能热水器，以Trombe墙的方式，并测试它们在突尼斯南部气候下的性能。我们的太阳能热水器壁罩原型已经在夏季进行了测试，它们在热性能和达到的温度值方面提供了令人满意的结果。此外，这些原型只能在冬天有效。
太阳能热水器与建筑立面一体化的施工
建造的单元以这样的方式集成到建筑物的立面上，它们将成为其外壳的一部分。此外，它还根据两种配置建造了两个太阳能热水器“嵌入外墙”:一个集成存储传感器和热虹吸。
太阳能热水器到墙集成存储
这种垂直设计允许我们截取最大值太阳辐射在冬季，太阳光线较弱，需要热水是必不可少的。然而，传感器的这个位置可以防止夏天过热的问题。该单元被锁在一个大约0.62 × 0.42米、220毫米厚的木制框架中，安装在100毫米厚的垂直砖墙上。在框架中，聚苯乙烯绝缘层，厚度为50mm。在保温之前，一层50毫米厚的混凝土染成黑色，起到吸收太阳辐射和储存热量的作用，在混凝土层中有一根直径14毫米的铜管，形成一个突现的蛇形，起到热交换器的作用。最后，该系统覆盖了厚度为5mm的聚碳酸酯窗。该单元放置在金属支架上，以方便传感器的定位。将太阳能热水器集成到建筑的立面上，并使用混凝土作为吸收体和热量储存，这可以降低其成本，并将其应用于社会阶层，即使在建造房屋时，泥瓦匠也可以在当地进行不太舒适的施工。图1展示了集成蓄热式壁挂式太阳能热水器的原型。
图1:根据两种不同的观点(IWSWH)，壁式太阳能热水集成存储。
这种传感器非常有利可图，白天在高温下提供热水，但夜间冷却很重要。设想了几种解决方案来补救这个问题，例如双层玻璃，我们将在下一部分讨论热虹吸的流量，从而回到经典的存储(图2)。
图2:壁挂式太阳能热水器方框图以集成蓄热内置。
太阳能热水器到墙热虹吸
这种配置的太阳能热水器保证与之前的配置“IWSWH”最大的太阳辐射的吸收，看它的垂直位置。此外，它可以减少夜间冷却，同时分离传感器的储存瓶，可以是塑料而不是金属罐，并可以放置在内部。此外，我们的原型进行了创新，通过避免传感器和气球内部的任何连接(焊料和螺纹)，减少了维护，延长了系统的使用寿命。我们的原型由一个太阳能传感器和一个储存气球组成。太阳能传感器安装在100毫米厚的垂直砖墙上，主要由1毫米厚的铜金属板组成，涂成哑光黑色，在50毫米厚的聚苯乙烯层前面起到吸收器的作用。在其上固定一根直径为14毫米的连续管形式的铜管。整个单元被木质框架包围，尺寸为0.62米× 0.42米，厚度为183毫米，并覆盖有5毫米的聚碳酸酯层。
传感器加热通过热虹吸作用上升的清洁水，并流向储存瓶，这是一个塑料罐。传热流体的传导，甚至在储存层的卫生用水的进气管线和精炼的连接都在球的顶部。图3和图4介绍太阳能热水器及壁挂式热虹吸管的运作原理。
图3:壁式太阳能热水器到热虹吸的框图。
图4:壁式太阳能热水器对热虹吸式“ThWSWH”有两种不同的看法。
预测水温的实现
为了求出在其他参数的作用下被加热的水所达到的温度，以及系统的特性，对于放置在南朝向前面的传感器，我们写下热水器的能量平衡:
传感器的吸收面吸收窗户透射的太阳辐射IN的比例():玻璃反射的黑色表面发射的辐射的比例(τ)v在ρ。一个)和辐射所发出的掩盖其事实温度Tv向黑色表面(τv。在)。它的黑色表面发出ε一个σ(T。一个4- Tv4(朝玻璃的方向。:
(1)
(2)
因此:
（3）
(4)
或者甚至根据实际测量和平衡水的加热能量和太阳的输出的投入产出的方法来计算能源效率:
(5)
(6)
式中:m:在水中加热的等效质量;S:传感器上的入射太阳通量;S:吸收m²的表面面积，T英孚:传感器能量效率，T英孚: 19h时测得的水的温度，cp: 7h时测得的水的温度，cp:水的质量热。
两种原型机的性能评价
在晴朗的天空下，太阳能热水器在南突尼斯“加贝斯”连续三天无云测试(09-10-11/07/2017)。测量朝向东南方向的传感器上的太阳辐射、环境温度以及传热流体(水)出口的温度。
采用输入-输出方法对样机的性能进行了估计。它被定义为有用能量与传感器上的入射能量之商。
壁式太阳能热水器集成存储
图5给出了试验三天内太阳通量、环境温度和出水口温度随当地时间的变化。太阳通量密度在三天的测量中呈现相同的速度。它在一天开始时增加，达到约350w /m的最大值2到12小时，并在一天结束时逐渐减少。由于传感器是一个垂直的墙壁，因此，由于太阳光线相对于墙壁垂直平面的倾斜度，所截获的太阳通量比冬季减少和减弱是合乎逻辑的。出水口的温度在一天开始时升高，在13小时达到50℃的最大值，然后在一天结束时开始缓慢下降。结果发现，与第1天相比，第2天和第3天的水温有一定程度的上升[11-15］．此外，环境温度与水的温度呈现相同的速度，只是其最大值是在15 h而不是13 h时达到的。实际上，所提出的原型达到了一个非常足以获得热水的温度值，并且它可以长时间储存热能，直到一天结束，尽管传感器的垂直位置对夏季测量期不利，但温度值为44°C至17小时。本单元的性能随标准化增益的变化见图6。考虑到系统的热损失以及测量周期和传感器的位置，IWSWH的有效性是可以接受的，不允许拦截最大辐射，它达到50%。根据图6，我们发现对于0.059 W°C/m的标准化增益2当太阳通量从1000 W/m增加到1000 W/m时，其温度增加59°C2，传感器的产率达到37%。
图5:连续三天(2017-10-11 /07/2017)的入射太阳通量、环境温度和IWSWH出水温度随当地时间的变化情况。
图6:根据测试当天(2017年7月9日)的标准化增益，IWSWH的有效性。
壁式太阳能热水器，热虹吸
我们测量了水库顶部和底部的水温，然后计算了平均值。根据图6，水温和环境温度遵循相同的节奏。储存的水在一天开始时逐渐升温，在15小时时达到最大值，然后在一天结束时开始缓慢冷却。达到的温度值不要太高;大约是40°C。这避免了夏天过热的问题，而在这段时间内要求的更高的温度往往不够高。实验测试表明，样机测试是有利可图的。实际上，对于“2017年7月”的测量和垂直传感器，在这个夏季期间拦截较少太阳辐射或温水需求减弱的位置，我们的热水器显示这产生了超过50%的重要热量。根据图7，对于0.059的标准化增益，对于1000 W/m的流，它的温度增加59°C2的表现为31% [16］．
图7:连续三天(2017-10-11 /07/2017)随当地时间的太阳入射通量、环境温度、高温、低温及蓄水池水平均温度的变化情况。
这项工作的目的是将建筑前面的卫生用水加热，以与Trombe墙或立面加热相同的方式整合在一起。在这个框架中，两个太阳能热水器的原型内置于两种不同配置的立面上，集成存储和热虹吸已经建成并进行了测试。实验于2017年7月在突尼斯南部连续三天进行，天空晴朗(图8)。考虑到突尼斯南部的高太阳辐射和部分阳光已经在2月份达到了70%，该系统只能是有效的，这是由实验测试证实的。实际上，热虹吸系统的性能约为60%，并允许我们达到可接受的温度值，最高可通过40°C [8］．将太阳能热水器集成蓄热，效率达54%左右，温度值高达50℃。通过在测量“热期”期间有足够高的太阳高度达到其最大值，并且对于垂直的墙壁传感器，因此减少了对太阳辐射的感知。此外，在我们的原型计算的最大效率是有利的和可接受的夏季期间。此外，在夏季，热水的需求量并不重要，所要求的水的温度水平通常不高，那么我们的原型实现的回报和达到的水的温度足以在夏季获得热水(温水)，特别是在气候条件有利的情况下。然而，在冬季太阳的高度足够低，特别是在一月(最冷的月份)，垂直墙是如此顺利的拦截，从而将热量传递给水加热起来。因此，系统性能将得到提高，温度值将非常高，这样可以保证在热水中的需要。
图8:根据测试当天的标准化增益，ThWSWH的有效性(10/07/2017)。
