太阳辐射性能范文（精选7篇）
太阳辐射性能 第1篇
1 分析建筑外饰面的太阳辐射性能的必要性
传统的建筑结构常采用围护结构隔热设计, 通过科学的计算不难发现, 外饰面吸收太阳辐射系数对室内外综合温度影响极大, 此时如果增加了外饰面对太阳辐射的吸收程度将会在一定程度上影响到建筑结构的隔热性能。实际建造过程中, 建筑外饰面保温结构的建筑材料较薄, 因此难以对围护结构的总热阻做出贡献, 基于此, 很多设计人员在设计之初常会忽视其热工性能, 对外饰面材料主要考虑其导热性, 对于太阳辐射的吸收及反射并未多做考虑。从结构上来看, 外饰面是建筑物抵御外界影响的第一道屏障, 建筑物的围护结构必须通过外饰面与外界因素进行能源交换。太阳辐射是造成建筑物耗能的重要因素, 实际生活中太阳辐射得热与建筑物外饰面的太阳辐射吸收性能及反射性能有密切关系。
建筑物外饰面的一些基本特性都会影响到建筑内部的保温、冷热舒适度、能量损耗、生态环境等, 建筑外饰面材料的材质、粗糙度、颜色等因素会导致其对太阳辐射的吸收及反射性能。实际建筑中, 不仅要考虑冬天室内的保温性能, 还要考虑夏天室内的清爽舒适性。由此可见, 在进行建筑项目时, 必须掌握外饰面材料的太阳辐射反射及吸收性能, 利用相关特性加强建筑物对太阳辐射的利用, 以降低建筑物能耗。在进行建筑外饰面材料的选取、颜色的选取、建筑物表面的平整度设定时需结合当地的气候特点进行太阳辐射方面的吸收与反射修正。
2 建筑外饰面的建筑辐射性能
太阳光在照射到建筑物上时, 其中的一部分能量会被建筑物所吸收, 并以热能等能量形式进行储存和传递, 另一部分则被建筑物表面反射, 以反射光的形式回到自然中, 该过程如图1所示:
该图中, ρ代表墙体外饰面的的反射率, α代表墙体外饰面的吸收率, τ代表墙体外饰面的透过率, ε代表该建筑外饰面材料吸收太阳辐射后转化为一定波段内红外辐射率[1]。通过物理研究发现这些因素间存在一定的数学关系, 即ρ+α+τ=1。透过率主要代表太阳辐射穿透介质的能力, 对不透明的介质而言可以默认为其透过率为0, 则该算式就会转变为ρ+α=1。前文已经提到, 建筑外饰面材料的材质、粗糙度、颜色等因素会影响其对太阳辐射的吸收性能及反射性能。建筑物中只有被建筑物外饰面吸收的能量才会向建筑物内部传导, 如果外饰面材料的反射率ρ越高, 太阳辐射被吸收的就越少, 建筑物表层吸收的热量也就越低, 其隔热效果越好。
3 建筑物耗热能量理论计算
建筑物的热环境与太阳能辐射有密切关系, 除去人为因素, 太阳辐射是影响建筑内部热环境的第一要素。为研究单位建筑面积单位时间外墙传递的热量的计算公式, 下面通过一组实验对象展开研究。
利用De ST-h软件设定温度适宜的地区, 保证室内的基础温度在一定范围, 使室内温度具有一定的舒适性。在此条件下选取A、B两栋住宅楼, 并选取中间层、顶层、底层进行数据收集。模拟实验中对两栋建筑分别给予不同的太阳辐射强度, 控制墙体外饰面吸收率在0.3-0.8之间, 墙体对太阳辐射吸收系数α控制在0.1-0.9之间, 采用极差为α=0.1、α=0.3、α=0.55、α=0.7、α=0.9, 其他因素设置为系统默认值。在此条件基础上进行实验模拟计算。实验中对建筑物在一年时间内不同太阳辐射吸收率下逐时自然室温模拟分析, 并对相关数据进行统计分析, 分析结果如下:
统计该实验结果可知单位建筑面积单位时间外墙传递的热量为:
Qhq= (tn-te) (ΣεqiKmqiFqi) /A0 (Qhq建筑物围护结构单位面积单位时间的传热耗热量, tn为室内所有房间的平均温度, te为建筑物外界环境的平均温度, εqi为建筑物围护结构传热系数的修正系数, Kmqi为建筑物围护结构平均传热系数, Fqi为建筑物围护结构面积, A0为建筑面积)
从该算式中可以看出, 进行建筑围护结构的单位建筑面积单位时间外墙传递的热量计算时, 首先需要对平均传热系数Kmqi进行修正, 其修正系数即为εqi, 这样做的原因主要是因为受到太阳辐射得热的影响, 若直接按照理论上的平均传热系数Kmqi进行计算, 结果将与实际不符 (大于实际结果) , 因此必须对其进行修正, 用理论Kmqi乘以εqi (数值小于1) 。不同地区的阳光照度不同, 因此不同地区的Qhq不尽相同。需要注意的是, 即使是同一地区, 不同时间的太阳辐射强度不同, 其Qhq也不相同, 另外, 同一时间不同朝向受到的太阳辐射强度也不同, 因此在实际计算过程中, 必须对Kmqi进行不同程度上修正, 即根据实际情况设定不同的修正系数εqi。一般情况下, 正午时分以及朝南方向受到的太阳辐射最强, εqi的取值最大, 同理朝北方向εqi的取值最小。
传统建筑中, εqi的取值一般根据建筑外饰面的朝向来规定的, 在传统建筑材料比较单一的情况下, 这样的规定具有一定的实用性。随着时代的不断发展, 人们对建筑的要求不断提高, 建筑外饰面材料呈现多样性, 不同材料的修正系数εqi差别较大, 以朝向为基础的修正系数εqi变得越来越片面。且对同种材料而言, 不同的颜色及表面粗糙度也会造成εqi的不同, 由此可见, 当今εqi的设定已经不能按照单一因素来考虑, 而是结合多方面因素综合考虑。在建筑节能过程中需要根据实际需求设定修正系数的数值。
4 建筑物外饰面材料的太阳辐射得失热与其耗热能量
建筑物外饰面得失热包括多个热量传递过程, 主要包括建筑物内部向外传出的热量、太阳直接辐射建筑物吸收的热量、太阳辐射间接吸收的热量、建筑物围护结构再辐射失去的热量、外表面空气热对流的热量、其他物体与建筑物间反射吸收的热量等。通过上述实验对建筑物A、B两栋住宅楼进行分析, 得到如下实验结果:
得失热的计算公式为:
q=q1-q2+q3-q4-q5-q6 (q1为建筑物内部向外传出的热量, q2为太阳直接辐射建筑物吸收的热量, q3外表面由于辐射作用散出的热量, q4为太阳辐射间接吸收的热量, q5为其他物体与建筑物间反射吸收的热量, q6为外表面空气热对流的热量)
从建筑物得失热的计算公式可以看出, 建筑物从外界太阳辐射中所吸收的热量q2=I*α (I为自然界太阳辐射照度, α为建筑物外饰面对太阳辐射的吸收系数) 建筑外饰面对太阳辐射的吸收系数在建筑物得失热的计算中的作用是决定性的, 因此可将这一理论知识用于实践, 例如在夏季一些地方需要采取隔热处理, 此时可以在建筑物外表面涂抹对太阳辐射的吸收系数较小的材料, 一般颜色较浅的建筑材料在夏季不仅能够减少对太阳辐射的吸收, 还能在颜色上给人冷色调的感觉。冬季需要保暖的时候可以在建筑物外表面涂抹对太阳辐射的吸收系数大的材料, 在颜色选择上可以暖色调为主, 让人们在心理上和身体上都能感受到暖意。
前文已经提到, 根据相关标准, 建筑物单位面积单位时间的传热耗热量计算公式为:
从上算式中可以看出, 建筑物围护结构单位面积单位时间的传热耗热量会受到不同的Kmqi数值影响, 需进行修正。修正系数εqi需要根据具体情况进行设定。结合建筑物内部向外传出的热量, 通常情况下的计算方式是将二者的计算公式进行结合, 从而找出之间的联系, 根据各因数的重要性并结合当地环境选择合适的材料, 使其性能能够在最大限度上满足人们的实际需求。
5 结束语
建筑物外饰面材料的太阳辐射性能对人们的生活具有重要影响, 因此在实际生活中需要根据需求不同选择合适的建筑材料, 在需要隔热的地区需要选择吸收系数较小的材料。相反在需要保温的季节可以选择吸收系数较高的材料, 合理使用外饰面材料对太阳辐射的各项性能, 在节能中提高人们的生活水平。
摘要：随着经济水平的不断发展, 人们对建筑物的要求越来越高, 已经不再局限于建筑物的使用性能以及美观上, 而是将建筑节能作为一项可持续发展策略融入现代建筑理念中, 作为建筑项目的一项重要考核指标。建筑结构中, 外饰面材料的太阳辐射性能对建筑围护结构的热工性能影响极大, 因此在实际施工过程中必须掌握外饰面材料的辐射性能, 本文就相关方面的性能进行探讨。
关键词：建筑外饰面材料,太阳辐射性能,建筑节能
参考文献
[1]麻建锁.建筑外饰面材料的太阳辐射性能对建筑节能的影响[J].河北建筑工程学院学报, 2010, 9∶1-3.
太阳辐射性能 第2篇
然而, 太阳能具有不稳定性, 不仅受气候、季节等因素影响, 还受昼夜交替带来的间断性影响, 使太阳能地板采暖系统的推广受到一定的阻力, 为此, 考虑在太阳能地板采暖系统中采用相变蓄热。许多学者将相变蓄热用于采暖, Salyer和Sircar[4]指出相变材料可用于室内蓄热;并且可以把室内温度的波动控制在较舒适的范围内[5,6];Ye等将石蜡与聚乙烯熔融制成的复合相变储热材料用于房间辐射采暖, 提高了房间的采暖舒适度[7]。基于上述相变蓄热的研究成果, 本文设计了一套相变蓄热式太阳能地板采暖系统, 系统在阳光充足时直接利用太阳能供暖, 同时将多余的太阳能储存, 用于夜间和阴雨天供暖, 使太阳能也具有“稳定性”。
1系统及工作原理
1.1系统概述
本文设计的相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统主要由太阳能集热器、保温水箱、相变蓄热器和供暖系统组成, 系统流程图如图1所示。其中, 太阳能集热器为平板型, 采用双层玻璃盖板, 吸热体表面涂无光黑漆, 壳体为钢制;相变蓄热器中的蓄热介质选用相变潜热较大且熔点温度较低的无机水合盐Ca Cl2·6H2O[8], 这样使蓄热器的容量较大且较容易发生相变。同时, 由于Ca Cl2·6H2O的过冷现象导致存储的热量不能顺利释放, 因此, 在该相变材料里添加3%的硼砂作为成核剂[9]。供暖系统的布管方式采用双“回”型, 加热盘管的管材则选用交联聚乙烯管 (PE-X) 。
1.2系统工作原理
本系统主要有以下几种运行方式。
(1) 冬季太阳能充足的条件下, 开启循环水泵, 关闭辅助电加热器, 太阳能集热器制取的热水先通过蓄热器再进入房间盘管, 在满足供暖负荷的同时将多余的热量储存在相变蓄热器中。运行方式如图2 (a) 所示。
A为太阳能集热器;B为保温水箱;C为循环水泵;D为蓄热器;E为辅助电加热器;F为房间地埋盘管;G为流量计;1~8为阀门
(2) 当冬季夜间没有太阳能的情况下, 系统必须通过蓄热器释放热量来对房间进行供暖, 阀2、3关, 阀4开, 具体运行方式如图2 (b) 所示。
(3) 在存在太阳能但无法满足负荷要求时, 阀2、4、6、8关, 阀3、5、7开, 水泵开, 对室内环境进行预热, 可以开启辅助电加热器。
(4) 晴天, 在房间无供暖要求时, 阀2、4、5、7关, 阀3、6、8开, 水泵开, 辅助电加热器关, 保温水箱和蓄热器同时参与蓄热循环。
2系统性能实验及分析
2.1系统设计计算
实验供暖房间为某市一栋高层办公楼顶层内的一个无窗单间, 房间大小为5.4 m×1.6 m×2.8m (长×宽×高) , 朝北有一扇门, 该门大小为2 m×0.9 m, 日光可直射东墙, 南墙为内墙, 西、北墙为外墙, 但无法接收阳光, 结合现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》及该市所处地理位置, 算出该房间的热负荷Q为646 W。
太阳能集热器采用平板型, 集热器朝向正南, 集热器的倾角为45°, 集热器的集热面积可以由式 (1) 确定。
式 (1) 中, AC为集热器的集热面积, m2;Qd为采暖房间24 h所需的热量 (Q×24×3 600) , J;f为太阳能保障率;Jr为平均日太阳辐射量, MJ/ (m2·d) ;ηcd为集热器的集热效率;ηL为热损失率。由于集热器的倾角为45°, 所以实际的太阳能集热器面积有一个补偿系数η。
相变蓄热器中的蓄热介质Ca Cl2·6H2O的用量可以用式 (2) 确定。
式 (2) 中, Qx为蓄热量, 按该房间在12 h内所需热量设计 (Q×12×3 600) , J;mPCM为Ca Cl2·6H2O的质量, kg;T*为Ca Cl2·6H2O的熔点, ℃;T1为Ca Cl2·6H2O的初始温度, ℃;T2为Ca Cl2·6H2O的终止温度, ℃;CS为Ca Cl2·6H2O的固态比热, J/kg·℃;CL为Ca Cl2·6H2O的液态比热, J/kg·℃;λ为Ca Cl2·6H2O的熔化潜热, J/kg。考虑实际地板采暖运行过程中, 地板的板体和管内、水箱中的水也参与蓄热, 故引入相应的修正系数"。上述公式各参数取值见表1。
经计算知, 系统选用3 m2的平板型太阳能集热器, 所需的蓄热介质Ca Cl2·6H2O为108 kg。
2.2测试仪器及方法
在太阳能充足的情况下, 系统按图2 (a) 运行, 在夜间没有太阳辐射的情况下, 系统按图2 (b) 运行。
(1) 太阳能辐射量的测定。太阳辐射量的测定采用TBQ—2型总辐射测量仪, 该仪器安装在太阳能集热器平面上。
(2) 地板表面温度测量。考虑到双“回”型布置方式的“均化”效应, 在实验中根据实际的埋管间距布置热电偶, 如图3 (a) 所示。
(3) 室内空气温度测量。在测量地板表面温度的9个点中选取4个点, 分别在4个点的竖直方向每隔0.5 m的地方布置一个测温点, 具体布置如图3 (b) 所示。取距离房间地面1.5 m处的测点平均温度为室内温度。
(4) 供、回水平均温度。由于供暖面积不大, 该系统没有设置集、分水器, 供、回水平均温度通过在供、回水管壁处布置热电偶来测量。
(5) 室外温度测量。室外温度的变化也将会导致测试工况的变化, 实验中室外温度由热电偶来测量。测量时热电偶安放在背阴处, 以防止太阳辐射产生误差。
2.3测试结果及分析
测试时间为2月13日~2月16日, 实验系统在2月13日之前已进行了调试。图4为2月13日~16日四天当中每一天同一时间点的太阳辐射量。图5为2月13日早上8∶00到2月14日下午2∶00的各测试平均温度变化图, 图6为某时刻室内空气温度分布图。
从图4可以看出, 2月13日~16日的太阳辐射量的变化趋势和日辐射总量基本相同。从图5可以看出, 供、回水平均温度与地板表面平均温度的变化趋势基本相同, 当供、回水平均温度在35~40℃变化时, 地板表面平均温度在26~29℃变化, 室内空气平均温度波动较小, 始终维持在18℃左右。供、回水平均温度始终在30℃以上, 这是因为早上8∶00到下午5∶00这9个小时有太阳辐射, 而太阳能集热器吸收的能量大于房间负荷 (太阳能集热器是按房间24 h所需的负荷设计的) , 所以一方面供、回水平均温度逐渐变大, 在下午8∶00左右达到最大 (系统具有一定的滞后性) , 另一方面蓄热器对多余的太阳能进行储存, 下午8∶00以后由于没有太阳辐射, 同时室外开始温度降低直至0℃, 这时蓄热器开始放热, 随着蓄热器中能量的减少, 供、回水平均温度也逐渐下降, 在蓄热器放热进行12 h后, 供、回水平均温度仍维持在30℃以上, 这时又由于太阳辐射的重新出现, 系统供、回水平均温度又重新逐渐变大, 至此, 系统完成一个循环。从图6可以看出, 在0.5 m及以下空间, 室内空气温度均高于22℃, 室内平均温度维持在18℃左右。
3结论
通过对相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统进行实验研究, 可以得到以下结论。
(1) 在供、回水平均温度为35~40℃时, 地板表面平均温度为26~29℃, 室内平均温度维持在18℃左右。在太阳能充足的情况下, 系统运行的输入能量为水泵运行的电能;在存在太阳能但系统负荷缺额时, 太阳能作为供水预热, 通过辅助电加热器维持供水温度。可见该系统有一定的节能环保作用。
(2) 系统在蓄热后, 即使没有太阳辐射的时候也能在0℃的室外环境维持室内温度12 h, 从而在一定程度上克服了太阳能的间歇性, 使太阳能低温地板辐射采暖系统的运行具有一定的稳定性。
(3) 进行供暖实验的房间室内空气温度在垂直方向从下往上呈梯度下降, 具有“脚暖头凉”的功效, 舒适性较好。
参考文献
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太阳能辐射分布 第3篇
太阳辐射情况对于地球来说特别重要, 太阳能的辐射发生很小的变化, 就会对地球大气、气候等产生重大影响。同时, 地球气候受制于太阳辐射及地球大气、海洋和陆地的相互作用。可以说, 太阳辐射与我们日常生活息息相关。根据太阳能辐射条件分类, 全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非地区、中东地区、美国西南部、墨西哥、南欧地区、澳大利亚、南非地区、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。中国太阳能资源十分丰富, 年太阳辐射值大致为1 050 k W·h/ (m2·a) ~2 450 k W·h/ (m2·a) 之间, 年平均日太阳辐射量为180W/m2, 其平均日太阳能辐射值分布趋势为西高东低。
太阳辐射性能 第4篇
计算流体动力学(CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新型独立学科[3]。与实验测量方法相比，CFD方法不受试验条件的限制，有较多的灵活性，可以拓宽试验研究的范围，减少昂贵的试验成本。在众多涉及传热过程的模拟计算中，都会用到辐射模型，比如根据文献[4]和文献[5]研究可知，在室内热环境模拟和扩散炉内部温度场计算上，合理选择辐射模型，均能得到较好的计算结果。本文对人工太阳辐射环境下的传热过程进行模拟，通过模拟与试验的比较寻找最佳的辐射模型。
1 理论模型
本文涉及到的问题是一个三维、定常、湍流流动和传热的过程。
1.1 物理模型的数学描述
流体流动要受质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的支配[6]，它们的雷诺时均方程为
式中xi———代表直角坐标下的三个坐标分量;
ui———代表直角坐标系下瞬时速度的三个分量;
ρ———密度;
t———时间;
μ———动力粘度;
p———压力;
T———温度;
k———传热系数;
cp———比热容;
S———广义源项。
值得说明的是:
(1)在Z方向动量方程的源项Sz中包括浮升力项，采用Boussinesq假设，将流体密度视为常数。
(2)在动量方程中，二阶关联项也称Reynolds应力或湍流应力，它代表了脉动速度对时均流动的影响。雷诺应力项的出现，导致了雷诺时均方程不封闭。为了使之封闭，必须将雷诺应力项模型化，本文采用Realizable k-ε模型对雷诺时均方程求解。
(3)在能量方程的源项ST中包括了辐射热量，由各种辐射模型求得。
1.2 辐射模型
辐射换热研究一直以来都是一个科研难题，因为辐射换热问题有很高的非线性，描述辐射传递的方程为微分—积分方程，很难获得解析解[7]。因此，工程实际中的辐射问题一般都作一定的简化处理，形成不同的简化模型。目前，主要的辐射模型包括:离散传播(DT)辐射模型、基于球形谐波法的P-1辐射模型、罗斯兰德(Rosseland)辐射模型、表面(S2S)辐射模型、离散坐标(DO)辐射模型[8,9,10]。这些模型在模拟的精度、合理性和计算量上各有特点。
DT模型的主要假设是用单一的辐射射线代替从辐射表面沿某个立体角的所有辐射效应[11]。把体积微元向周围的热辐射均匀的离散成有限能束，求得他们的辐射强度变化之后，对所有的辐射变化求和，就得到对应于每个流体单元内的由于辐射所引起的能量源项。此模型的计算精度主要由所跟踪射线的数目以及计算网格密度决定。
P-1模型是P-N模型中最简单的类型。P-N模型的出发点是把辐射强度展开成为正交的球谐函数。对于P-1模型，我们需要求解一个辐射输运方程并将所得的辐射热量直接带入能量方程的源项。
Rosseland模型引入了与温度成三次方的传热系数来计算辐射热量。由于Rosseland模型不需要计算辐射强度的输运方程，所以它的计算量比P-1模型还小。
S2S模型可计算出在封闭区域内的漫灰表面之间的辐射换热。某个表面接受到其余表面的入射辐射量用角系数来度量。角系数的含义就是离开表面1的辐射量被表面2所接收到的比例。该模型的主要假定是忽略了所有的辐射吸收、发射和散射，因此，模型中仅考虑表面之间的辐射传热。
DO模型的主要思想是对辐射强度的方向变化进行离散，通过求解覆盖整个4π空间角的一套离散方向上的辐射输运方程而得到问题的解。空间中某一位置的4π空间角的每个象限被分割成Nθ×Nφ个辐射立体角方向，θ、φ分别为经/纬度角。有多少个立体角方向，DO模型就求解多少个输运方程。立体角的离散精度决定求解的精度，但是，增加立体角的精度会使计算量急剧增加。
2 物理模型与研究方法
2.1 物理模型
本文的研究对象是某沙漠环境模拟实验室，如图1所示。其地面中心区域为6.28 m×5.04 m(X×Y)的沙坑，内填沙漠原型沙。房间上方装有全光谱日光模拟器，作为模拟太阳辐射的光源，其由188只反射型镝灯组成，光源总功率为75.2 kW，平均功率为4.19 kW/m2。为了模拟自然风环境，南侧放置3台轴流风机送风，送风温度为5℃，送风速度为1 m/s，并利用接近顶部的两个排风口自然排风。
模型采用分区混合网格技术建立，在模拟器周围使用四面体非结构化网格，其余区域使用六面体结构化网格划分。结构化网格占网格总数的75.42%，图2显示了Y=3.475 m断面的网格分布。这种网格划分方法可以减少节点，节省计算时间，同时保证主流计算区域的计算精度。
2.2 研究方法
试验采用SR5太阳辐射传感器，其光谱范围为300～3 000 nm，测量范围为0～2000 W/m2，精度为±1 W/m2。如图3所示，在日光模拟器投影到地面上的区域布置30(6×5)个测点进行试验，测量地面入射辐射值。
数值模拟采用FLUENT软件，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型。为考虑温差引起的浮升力的影响，采用Boussinesq假设。日光模拟器采用定热流边界条件，房间墙体设为绝热表面，地面取为第三类边界条件，传热系数取为k=0.58 W/(m2·℃)，进风口设为速度入口，排风口设为压力出口。
首先，将实验所得的地面入射辐射值与数值模拟结果进行比较。其次，选取Y方向上的中点(Y=3.475 m)做XZ截面，输出数值模拟的温度云图，分析该二维空间的温度分布。
3 试验与模拟结果
3.1 地面入射辐射
将地面辐射的实测数据与数值模拟数据绘制成为以地面辐射测点为X轴，各测点的入射辐射值为Y轴的曲线图，如图4所示。由于Rosseland模型没有入射辐射值的输出，所以只比较其余四种模型。从试验曲线1至5点、6至10点等六段曲线可以看出:辐射分布呈抛物线状，且13、18点辐射值最大，说明地面中心入射辐射最强，向四周逐渐变弱。DT模型的模拟值均比实测值高，且曲线没有规律性;P-1模型的模拟值也均比实测值高，曲线平行于X轴;S2S模型的模拟值比实测值偏低，曲线有微弱的起伏趋势;DO模型的模拟值与实测值最接近，可见使用DO模型模拟地面入射辐射值较为可靠。
3.2 温度分布
图5给出了房间Y=3.475 m截面的温度云图，由图5(a)未考虑辐射时的情况可知，日光模拟器表面温度最高;在日光模拟器上部温度明显高于下部，在上部能看到热气流上升现象;在下部温度由上至下出现分层，但大部分区域温度接近风机送风温度，这与实际不符，可见辐射效应不可忽略。
由图5(b)、图5(c)可以看出，P-1模型中日光模拟器上部有微弱热气流上升现象，下部大部分区域温度等于送风温度，这与未考虑辐射时的情况相似;Rosseland模型中日光模拟器周围的温度场呈椭圆形分布，这与实际情况完全不符。本模型空间的流体介质为空气，光学深度很小，而这两个模型不适合光学深度小的介质计算，尤其是Rosseland模型要求光学深度大于3。因此，这两种模型不适合该问题的求解。
由图5(d)、图5(e)、图5(f)可以看出，使用了S2S模型、DT模型和DO模型的温度场趋势相似。在日光模拟器上部都能看到热气流上升现象，在下部温度场均呈舌状分布，一部分热量以辐射的方式从日光模拟器下部散出。S2S模型、DT模型中上部与未考虑辐射时的情况相似，而DO模型上部温度均低于未考虑辐射时的情况。这是因为空气介质中存在散射，而S2S模型和DT模型均忽略了散射项，所以会造成温度场失真。但是DO模型考虑了散射项，同时它能够求解所有光学深度区间的辐射问题，所以模拟结果更为合理。
3.3 求解性能
在模拟过程中，只有DO模型增加了收敛的难度，即需要更多的迭代步数才能收敛，其余模型均未有明显增加。DO模型对电脑资源的使用量最大，因为对于3D问题，总共有8Nθ×Nφ个立体角方向，在默认情况下，Nθ和Nφ的数目均为2，故要求解32个输运方程，所以计算量是未使用辐射模型时的四倍多;S2S模型虽然不用求解输运方程，但是要计算角系数，在缺省情况下，有多少个网格表面，就要计算多少个角系数，故计算量增加了一倍多;其次是DT模型，虽然也不用求解输运方程，但要计算射线每个行程的辐射强度;P-1模型增加了1个输运方程，计算量略有增加;Rosseland模型无方程增加，故无计算量增加。(下转第452页)虽然DO模型对计算机的硬件要求较高，但是它的精度也最高。现在双核CPU、4GB内存的计算机已经可以满足100万左右网格、带有DO模型的三维问题的计算，而且随着计算机计算能力的迅速发展，更大型的计算也将不成问题。
4 结论
经过了上面的分析比较后，得到的结论是:
(1)用DO模型模拟地面入射辐射与实验结果较为吻合;S2S模型的模拟值偏低;DT模型和P-1模型的模拟值偏高，且趋势不同;Rosseland模型没有入射辐射值的输出。
(2)DO模型最适合太阳辐射传热过程温度场的模拟;在辐射强度不大或要求精度不高的前提下，为了节约计算机资源，可以使用DT模型或S2S模型，但必须保证散射项可以忽略;P-1模型和Rosseland模型不适合此类辐射传热模拟。
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太阳辐射换热空调制冷技术研究 第5篇
关键词：太阳辐射,空调,制冷,效率
iciency
一、引言
随着科学技术的不断进步, 空调、冰箱等电器化产业也日趋繁荣。与此同时, 人们空调、冰箱等电器产品的依赖程度也随着其生活水平的不断提高而与日俱增。夏季, 空调虽然能够给人带来舒适、凉爽的感觉, 但其也会给人们带来巨额的电费开支。为了缓解这一现状, 有不少学者将太阳能与空调统一起来。空调在夏季的使用最广, 太阳能辐射也在夏季最为丰富。因此, 对太阳辐射换热空调制冷技术进行研究具有理论和实际的意义。
二、太阳辐射换热空调制冷的基本概念
利用太阳能实现供热与制冷的技术途径主要有两种:一是太阳能光热转换制冷, 即通过热能来达到供热制冷的目的;二是太阳能光电转化制冷, 即通过电能驱动设备来达到供热制冷的目的。研究表明:第二种途径能够有效降低太阳能的应用成本, 因此在目前太阳能空调制冷过程中得到了广泛的应用。
太阳能集热器是一种热能转换装置, 是太阳辐射换热空调制冷过程中的关键元件, 主要用于太阳辐射与热能的转化环节。一般情况下, 太阳能集热器具有不同的温度, 因此, 其不仅可以应用于制冷效应的获取, 也可应用于暖气、热水的供应等。除此之外, 太阳辐射还可以通过相关途径转化为电能, 依靠电能驱动的相关设备来实现制冷的目的。
三、太阳辐射换热空调制冷的基本原理
太阳能热驱动空调主要具有四种基本类型, 即喷射式制冷空调、吸附式制冷空调、吸收式制冷空调、除湿式制冷空调。从整体的角度来看, 这四种空调的工作原理具有一定的相似性, 即都是通过产生冷冻水或增加空气的湿度来达到制冷的目的, 其吸收太阳辐射转化为热能的主要装置, 都是太阳能集热器, 制冷的主要途径都是热能驱动制冷。但从局部的角度来看, 这四种空调的工作原理又具有细微的差别, 主要体现在以下几个方面。
(1) 采用的制冷系统不同:它们采用的制冷系统分别为喷射式制冷系统、吸附式制冷系统、吸收式制冷系统、开放循环的吸附式制冷系统。
(2) 制冷过程经历的环节不同:喷射式制冷空调的制冷过程主包括高压蒸汽的形成、高压蒸汽转化为低压蒸汽、低压蒸汽进入混合室、制冷剂汽化四个环节;吸附式制冷空调的制冷过程主要包括脱附、冷凝、蒸发、制冷四个环节;吸收式制冷空调的制冷过程主要包括太阳辐射的吸收、太阳能与热能的转化、太阳能驱动制冷系统三个环节;除湿式制冷空调的制冷过程主要包括干燥、除湿、蒸发、冷却四个环节。
每一种空调制冷技术都有其独特的优越性。其中太阳能吸附式制冷空调在欧洲国家以及中国应用最为广泛, 只是在应用该制冷系统时, 要调整好驱动热源的温度, 使其在相对较低的温度环境中进行相关操作;吸收式制冷空调目前使用最广泛的系统有澳化铿一水系统以及氨一水系统两种类型, 其中前者主要应用于欧洲示范空调的制冷方式的研究之中;除湿式制冷空调是目前使用最为普遍的类型之一, 其能够有效地处理调潜热负荷, 因此, 受到广大群众的青睐。
四、现有太阳辐射换热空调技术存在的问题及解决的途径
与传统的制冷空调相比, 太阳辐射换热空调所需的能量都来自太阳能, 这在一定程度上大大降低了耗电费用, 减轻了巨额电费给人们带来的困扰。但目前国内太阳能空调制冷技术仍处于探索之中, 并未达到最优化。确切地说, 就是太阳辐射换热空调系统并不完善, 还存在一些缺陷, 主要体现在以下几个方面。
1. 价格过于昂贵
由于太阳集热器是太阳辐射换热制冷空调中必不可少的装置之一, 而太阳集热器的价格十分昂贵, 这大大增加了太阳辐射换热空调的初始成本, 致使太阳辐射换热制冷空调只能被经济富裕的家庭所接受, 而普通的家庭却无法承受该空调的经济负荷。因此, 改善这一局面的最有效途径就是:尽可能地提高太阳能的利用率, 降低太阳集热器的成本, 将太阳辐射换热制冷空调的价格控制在一般家庭能够支付的范畴之内。
2. 系统过于复杂
通常情况下, 制冷系统的工质对为溴化锂—水, 该系统不能制取100℃以上的温度, 也不能制取0℃以下的温度, 无法保障制冷系统发挥有效的功能, 因此, 在制冷系统中, 通常需要安置规模庞大的储热装置 (辅助热源) , 这增大了制冷系统的规模, 增加了制冷系统的复杂度, 提高了制冷系统的使用难度, 致使该系统只适用于中央空调。要想缓解这一现状, 需努力研发各种与太阳能集热器相匹配的小型制冷机, 促进太阳辐射换热制冷空调应用到每家每户。
3. 适用建筑层数过少
虽然太阳辐射换热制冷空调可以无限制地使用太阳能资源, 但太阳集热器采光面积与建筑面积的配比却因太阳能辐照密度过低而受到限制, 所以现阶段能够适用太阳辐射换热制冷空调的建筑并不多。要想缓解这一现状, 需努力提高太阳集热器采光面积与建筑面积的配比。目前研制的中温太阳集热器能够较好地实现该途径。
五、太阳辐射换热空调系统的效率分析
单纯的太阳辐射换热制冷空调系统具有初成本较大的劣势, 而提高系统的总效率可以有效地改善这一劣势。提高系统的总效率, 可以从以下两个方面加以考虑: (1) 提高制冷机的效率 (COP) , 该效率与驱动温度和蒸发温度成正比, 驱动温度和蒸发温度越高, COP也就越高; (2) 提高太阳能集热器的效率, 该效率与介质温度成反比, 与太阳辐射强度成正比, 即介质温度越低、太阳辐射强度越强, 太阳能集热器的效率越高, 反之, 太阳能集热器的效率越低。总之, 要想提高太阳辐射换热制冷空调系统的总效率, 在选择制冷剂和太阳能集热机时, 必须谨慎行事, 因为总效率等于两者效率的乘积, 只有当两者与太阳辐射的强度相匹配时, 总效率才能达到最佳值。实际上, 选择恰当的制冷机和太阳能集热器不仅能够提高系统的总效率、降低系统的总成本, 而且能够促进系统最大限度地发挥出应有的功能。
由于太阳辐射的强度是时间、天气等因素的改变而改变的, 因此, 为保障制冷工况持续、稳定, 必须在太阳能驱动制冷系统中安装辅助热源。实践证明:太阳能制冷系统的可信度越高, 其太阳能利用率、制冷量受时间、地区的限制越小。
六、结语
与传统的空调制冷技术相比, 太阳能辐射换热空调制冷技术具有明显的优越性, 但并不意味着其已达到广泛的应用。事实上, 太阳能辐射换热空调制冷技术还存在许多缺陷, 比如:价格过于昂贵、系统过于复杂、适用建筑层数过少等, 目前已有许多学者正在对该系统进行优化。
参考文献
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郑州地区太阳辐射变化规律及分析 第6篇
太阳能是取之不尽、用之不竭的能源,尤其是在当今环境污染越来越严重的今天,对最大限度地合理开发和利用太阳能有着重要的意义。
1 太阳辐射资料数据来源
《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[1]是以中国气象局信息中心气象资料室收集的全国270个全面气象台站1971～2003年的实测气象数据为基础,通过分析、整理、补充源数据以及合理的插值计算,获得了全国270个台站的建筑热环境分析专用气象数据集,为建筑热环境及其控制系统的设计和动态模拟分析提供全面可靠的基础气象数据。为了分析郑州地区的太阳能资源,根据本数据集的特点,选用了设计典型年和典型气象年的太阳辐射数据。
2 太阳能辐射变化规律及分析
2.1 设计典型年总辐射的逐日变化
不论是辐射极高年还是辐射极低年,郑州地区的太阳总辐射逐日变化都大致呈向下开口的抛物线形式,但是辐射极低年逐日变化上下波动的幅度不如辐射极高年的波动大(图1和图2)。辐射较低年的太阳总辐射总量为4 728.96 MJ/m2,而辐射极高年的为5 850.46 MJ/m2,极低年太阳总辐射为极高年的80.83%。在一年中,夏季的日总辐射高且变化剧烈,冬季低但变化平缓。
在辐射极高年,夏季的太阳总辐射占全年总辐射的31.03%;冬季占全年总辐射的17%;在辐射极低年,夏季太阳总辐射占全年总辐射的33.67%;冬季太阳总辐射占全年总辐射的16.36%。
2.2 设计典型年总辐射的逐月变化
从图3可见:太阳总辐射的变化比较有规律,呈单峰值变化。辐射极低年除了在11月和12月之间出现升高现象,其余月份变化情况与辐射极高年类似。辐射极低年的最大值和最小值分别出现在5月和11月,而极高年的极值出现在6月和12月。两种情况普遍是极高年的月总辐射远远大于极低年的月总辐射,其中4月悬殊最大。还可以看出辐射极低年在冬季的最冷月并非太阳总辐射最低,而辐射极高年夏季的最热月并非太阳总辐射最高。
2.3 设计典型年月总辐射和月总直射变化
太阳总辐射包括直射辐射和散射辐射。利用太阳能实际上是利用太阳的总辐射,对大多数太阳能设备来说,则是利用太阳辐射能的直接辐射部分。因此研究直接辐射的变化以及它与总辐射之间的关系具有举足轻重的作用。
从表1和表2中,可以看出:辐射极高年中月直接辐射占太阳月总辐射很大的份额,其中6月份为88%,1月份为77.01%高于7、8月份和11月份的;辐射极低年,太阳直接辐射占总辐射的份额大多在40%～50%。可见,在中原地区冬季太阳能有很大的利用潜力,太阳散射辐射也应该合理利用,其作用不可忽视。
2.4 设计典型年东南西北各朝向的太阳逐月总辐射比较
众所周知,建筑能耗是能耗的大户。降低建筑能耗的途径是很多的,可以根据气候特点和地形位置,合理安排建筑群的排列和间距,选择朝向,保持良好的采光与通风,就可以节约空调动力费的四分之一,这是节能建筑最有效、最关键的节能措施,也是对太阳能的直接利用。因此分析建筑物各个方向的太阳总辐射,对合理设计建筑,有效地利用太阳能具有重要的意义。
从图4中可以看出,一年中南向总辐射变化非常显著,而东向、西向和北向的总辐射值变化曲线较为平缓,全年整体波动范围不大。南向总辐射在冬季处于顶峰阶段,最大值出现在1月份,为527.17 MJ/m2,超过本月总辐射365.32 MJ/m2,其次是2月份;相反,夏季辐射值处于低谷,最小值出现在6月份,为142.85 MJ/m2,且6、7、8三个月的总值波动也不大;秋季在10月份出现突变,峰值为422.15 MJ/m2。同时,还能得到,全年中北向总辐射值最小,变化曲线最平缓;东向和西向的总辐射值基本相同。可见,合理利用南向总辐射对太阳能在建筑中的应用起着很大的作用。
2.5 设计典型年最冷月和最热月太阳逐日总辐射比较
天气越热,越需要制冷;天气越冷,越需要供暖。因此,冬季应尽量获得太阳辐射,而夏季则尽量避免太阳辐射,从而减少建筑能耗和节约能量。从图5中分析得出两种情况下,最冷月除了个别天气外,太阳日总辐射变化比较平缓,而7月份的太阳总辐射逐日变化没有一定的规律可循,忽大忽小。
2.6 太阳总辐射强度频数分布(辐射极高年)
一般来说,日照时间是影响太阳辐射能实际到达地球表面的大小的主要因素,因此分析太阳能总辐射强度频数分布对利用太阳能有很大的意义。
由表3和图6可以看出,在郑州地区典型气象年中,太阳的总日照时数为4 339 h,小时最大总辐射强度为1153.66 W/m2,年总辐射强度为1.63 MW/m2。太阳总辐射强度分布频率最大的区间为0～100 W/m2,共911 h,占全年总日照时数的21%;超过100 W/m2的太阳总辐射强度占到年总太阳辐射强度的79%,而且分布比较稳定,太阳能资源丰富,有着得天独厚的优越条件,开发利用潜力巨大,具有很好的前景。
3 结论
(1)郑州地区太阳能辐射不但丰富而且全年变化稳定有规律,呈单峰值状态,夏季的太阳总辐射大且变化剧烈,冬季低但变化平缓。辐射极低年在冬季的最冷月并非太阳总辐射最低,而辐射极高年夏季的最热月并非太阳总辐射最高,所以冬季太阳能利用有很大的潜力。太阳散射辐射也应该合理利用,其作用不容忽视。
(2)郑州地区全年中北向太阳总辐射值最小,变化曲线最平缓;东向和西向的总辐射值基本相同;南向太阳辐射冬季最大,夏季处于低谷,因此合理利用南向太阳辐射对太阳能在建筑中的应用起着重要的作用。
(3)郑州地区全年太阳的总日照时数为4 339 h,小时最大总辐射强度为1153.66 W/m2,年总辐射强度为1.63 MW/m2。太阳总辐射强度分布频率最大的区间为0～100 W/m2,共911 h,占全年总日照时数的21%;超过100 W/m2的太阳总辐射强度占到年总太阳辐射强度的79%。
摘要：利用有关资料,分析了郑州地区太阳辐射能的年、月、日变化。分析表明:全年太阳能资源较为丰富且相对稳定,冬季太阳能资源利用潜力很大,应当合理利用直射、散射以及南向的太阳辐射;通过对太阳总辐射频数分布情况的分析得知:郑州地区超过100 W/m2的太阳总辐射占到年太阳总辐射的79%。
关键词：郑州地区,太阳辐射,频数分布
参考文献
小议大气对太阳辐射的散射及意义 第7篇
一、空气分子的散射
1871年, 英国物理学家瑞利最先完美地解释了此光学现象, 并提出了著名的瑞利散射公式, 此类散射又称为瑞利散射。这类散射作用的重要特点是波长愈短的电磁波, 散射愈强烈, 瑞利推导出一个数学公式表明球状质点的散射能力与波长的四次方成反比, 所以在可见光区中红光 (波长为0.76μm) 被散射能力只有紫光 (波长为0.4μm) 的1/16。
(一) 大气瑞利散射的地理意义
1.保护地球生命。太阳辐射有大约近7%能量分布在紫外区, 此部分辐射波长很短, 遭到瑞利散射的程度很强, 例如太阳辐射中波长很短的γ射线 (波长小于0.001nm) 、X射线 (0.01nm到10nm) 等对地球生命具有极大杀伤力的射线极少能到达地表。如长期在青藏高原生活的人们总有一个“红脸蛋”就是由于该地区的大气稀薄, 到达地表的紫外线较多的原因, 此现象是人类皮肤产生的应激反应。
2.削弱了到达地表的太阳辐射。太阳辐射在经过瑞利散射后, 到达地表的蓝紫光有较大幅度的削弱, 从而减少了到达地表的太阳能, 降低了地表大气的温度。
(二) 瑞利散射可以解释以下光学现象
1.蓝色天空。大气分子对太阳辐射中波长较短的蓝紫光的散射作用较为强烈, 此时大气质点好像变成了一个个发光点, 这样被散射的蓝紫光中有近一半到达地表, 观察者就以为天空是蓝色的。
2.蓝色海水。清澈的海水也与纯净的大气一样没有颜色, 但水分子也与大气分子一样对太阳辐射具有瑞利散射作用。从宇宙空间看地球是一颗蓝色的星球就是由于地球表面近70%的表面被海水覆盖, 人们看到的是海水散射的蓝紫光。
3.红色的朝霞与晚霞。由于早晨与傍晚时, 太阳光线穿过的大气厚度大于中午, 因此在早晚时太阳辐射的短波长的光线更容易被散射, 无法到达地表, 而波长较长的红、黄光被散射的程度小, 到达地表的辐射量相对较多, 因而此时太阳与云霞都呈红色。另外人们还把此原理运用在生产生活中, 如交通信号用红灯表示禁行, 用绿灯表示放行, 就是由于红光在大气中的穿透能力强。
二、空气中微小尘埃的散射作用
地球近地面大气中, 含有较多的固体微粒和液体微粒, 它们的直径多在0.001~100μm之间, 粒径小于10μm的微粒, 能较长时间驻留在大气中, 粒径大于10μm的微粒, 在重力作用下, 能在较短时间内下沉降到地面。这些空间尺度相对悬殊的大气悬浮颗粒, 对太阳辐射的散射有何影响呢?
德国物理学家G·Mie于1908年以球形粒子为模型, 详细计算了微粒对电磁波的散射, 米氏散射理论表明, 只有当球形粒子的直径a<0.6λ/2π (颗粒的直径小于入射波长的1/10) 时, 瑞利散射规律才是正确的, 当入射波长远小于大气中的颗粒半径时, 颗粒对电磁波的散射作用与波长的相关性迅速减少, 但当颗粒的直径与入射波的波长可比拟时 (即颗粒的直径大于入射波波长的1/10, 小于入射波波长的20倍) , 亦能发生散射, 此散射强度与入射电磁波的波长的相关性没有瑞利散射大, 散射后光的波长也不变 (即也颜色不变) 。
(一) 大气米氏散射的地理意义
1.“延长”了白天的时间, 增加了阴天和没有阳光直接照射地方的亮度。由于大气中的微小悬浮颗粒对太阳辐射中各个波长电磁波的散射作用, 这些小质点形成了一个个的点光源, 从而使得没有太阳照射的地方也有光线到达, 扩大了光照范围。如在日出前和日落后1小时左右天空是明亮的, 白天没有太阳照射和人工照明时, 教室内仍很明亮就是此原因。
2.削弱了到达地表的太阳辐射。根据数学分析可知在多云雾的天气或烟霾天气, 由于散射作用, 很大一部分太阳辐射被返回到宇宙空间。
3.形成灰白色的天空。如果大气中悬浮颗粒较多, 此时米氏散射很强, 实验表明, 米氏散射在入射光方向上的散射能量超过了在射入光的相反方向上及垂直方向上能量的2.37倍及2.85倍 (因此米氏散射也称为不对称散射) , 故太阳光线能够“穿透”一定的云雾到达地表形成灰白天空。近几年我国许多城市尤其是华北一些城市的烟霾天气就是微小大气悬浮颗粒大量散射太阳辐射形成的。