农村能源工程3

1、 (4)灶架 用以承托灶面，并能灵活地调节处面使之与太阳运动同步，始终保持灶面与太阳光线垂直。因此，要求灶架结实牢靠，调节方便灵活。灶面跟踪太阳应使灶面能沿太阳高度与方位的变化两方面运动。方位运动机构的调节一般为手动调节。有铀式和轮式。轴式即在底座内套一圆管即可，较为简单，如图134所示。轮式灶架本身也起支座作用，结构稍为复杂，但移动位置较为方便，如图l一35如图136所示。是水平轴的位置可上可下，并以能通过或接近灶壳重心为佳，这样费力小，操作灵活。这种灶重量较轻，重心在转轴之上，并采用加大力臂及配重的方法来调节平衡灶壳重量。图137是一种单轨式太阳灶，灶壳可沿着圆弧轨道上下滑动，操作较费力，

2、适用于小型灶使用。 太阳灶高度方向的调节范围应大于60。，方位方向的调节范围应大于90。(5)锅架 用以支持锅具。它必须保证锅具在使用时稳定，不倾翻，在灶完调节过程中，锅水不外溢c锅架主要由锅圈、支杆和调节杆等零件组成。锅架可单独固定不动放在地面上，如图l一38所示。这种锅架调整方便。另一种锅架是和灶壳固定成一体，以保证锅具总处于灶面的焦点位置c如图133所示，这种支撑称为平行四边形自动水平锅架。 3聚焦型太阳灶的热性能 其热性能指标主要有：集热效率、焦面温度和功率。 (1)集热效率 为便于比较各种聚光型太阳灶的热效率，一般以煮水工况时的热效率为依据。聚焦型太阳灶瞬时集热效率x是指在某一确定的

3、短时间间隔内，锅具及其定量的水所获得的有效热量Qu与此时间间隔内，投射在聚光器光面上太阳直射辐射总能量(IbAc)之比。 4聚焦型太阳灶的设计 设计反射聚焦型太阳灶时，需要正确选择反光材料、反射镜曲面、面积、焦距、聚光比。它们都直接影响太阳灶的性能、成本和重量。(1)反光材料 在太阳灶结构中灶面一节已有介绍。由于太阳灶主要在农村应用，为便于推广，首先要求成本低，材料的价格要低廉；其次，要求具有较高的反光性能及耐久性，力求重量轻，使用方便。同时，还要注意因地制宜，就地取材。 (2)反光镜光孔面积 即反光镜抛物面的投影面积Ac，它是根据太阳灶所需的功率大小来确定。由式150可求得面积Ac，即(3)

4、反射镜曲面选择 前面已提到正焦抛物面灶，正焦抛物面由于有部分表面不能有效地对锅底加热，且尺寸大，不便于操作 因此，较普遍地在正焦抛物面上截取能有效地加热锅底的部分曲面，形成伯焦抛物面灶。 (4)聚光比C(AcAr) 它是太阳灶的重要技术指标。由式(145)可知，聚光比愈大，焦面温度愈高，但对反射镜的要求也高。作为烧饭、烧水的太阳灶，聚光比以 100300为宜，此时锅底焦面平均温度为400500；若用于烹、炒等做菜作业，则要求的温度在600800之间，就要求更大的聚光比。聚光比与接收器(锅、壶等)底部温度的关系如图14l所示。图中标着“下限”的曲线表示接收器处于热平衡时的焦面平均辐射强度或聚光比

5、与平衡温度的关系，此曲线上方表示较大的荣光比。阴影区表示良好的工作范围，接收效率为40一60。纵坐标的辐射强度表示接收器焦面上的平均能量密落。三)其他型式的太阳灶 1箱式太阳灶 这种太阳灶是利用温室效应原理，通过特定装置将太阳能收集与积累起来。达到一定温度的。一般只能达到l10150用于蒸煮炊事作业。如图143所示，主要由箱体、透明盖板、吸热板和保温材料制成。箱体内底部及四周铺以棉花或其他保温材料进行保温：层上放吸热板。吸热板由牛皮纸、木材或薄铁皮制作，其表面涂黑以便吸收更多的；太阳能。一般采用2mm厚的玻璃作盖板，寒冷地区可为两层或三层，以减少散热，达到较高的温度。这种太阳灶结构简单，制作容

6、易，成本低，用户可自己动手制作，蒸煮食物方便，无须专人看管。但集热温度与热效率偏低。箱式太阳灶还可用于烘干，如烘干烟叶， 辣椒等农产品及消毒杀菌。2.台式太阳灶(见图144)是箱式太阳灶的一种变型，集热原理相同，结构相似c 不同的是：它用砖或土坯垒成池子代替灶箱。池子还Lf在地上挖一个坑代替，就成为窖式太阳灶。由于它们地点及灶的方向固定，因此，应选择好建灶地点及灶的方向与盖板的倾角。灶应建于干燥向阳的地方，其北面应有挡风墙，还可利用朝南的斜坡挖坑，也能挡风，减少散热损失。灶的方向一股为朝南，孟板倾角可等于当地的纬度，可全年使用。如果只在春分到秋分的6个月使用，倾角可用(410。)；如只在从秋分

7、到春分的6个月中使用，倾角可用(少十10。)c保温层最简单是采用黑色被褥，衬于灶坑内，它既是保温层，又是吸热体。挂条可附在灶盖下面，可挂晒与烘烤各种东西。为提高箱式太阳灶的入射辐射能，可在箱盖上加反射镜，如图145所示。2回转太阳灶 如固l一46所示，其原理与箱式基本相同，但结构上有较大差别。首先它的铝具固定，而外箱可以回转，以便跟踪太阳；其次，它比箱式更深，且还有部分曲面可反射入射的部分阳光，因而能收集到更多的太阳能；此外，它的玻璃盖板固定；在顶部或侧面开设门盖，便于操作。它的结构虽复杂一点，但调节方便，集热温度度c在晴朗天气下，把锅具加热到150220仅需15小时。 3太阳能蒸汽灶 它是利

8、用集热器将水加热变成蒸汽，蒸汽进入蒸箱可蒸煮食物，如图l一47所示。小型灶可用平板型集热器；大型灶可采用聚光并自动跟踪太阳的集热器。由于要获得蒸汽，因此，要求良好的保温，尤其在顶部，透明盖板最好用两层或三层，集热器的安装支架应有高度和方位两个转动方向，在不同季节和不同时刻都可用于调节集热器的倾角与方位以便能接收更多的太阳能。4其他型式的聚光集热器(1)折叠式太阳灶 (2)球面镜固定不动的跟踪聚光集热器(3)复合抛物面聚光集热器第八节 太阳能的热贮存一、概 述 (一1贮能的必要性 任何能源系统始终存在着供能与用能的平衡问题。系统能源供需不平衡不是造成能源浪费，就是不能满足用户的需求，影响生产或生

9、活。太阳能利用系统中，由于太阳能随季节、气候和昼夜等自然条件而变化，造成供能的继续性，加之太阳的能量密度低，更加剧了其供需的不平衡。通过在系统中设置贮能装置，可减缓能源供需的不平衡与更充分地利用太阳能，因此，贮能装置是太阳能利用系统中不可缺少的设备。二)太阳能贮能的方式 贮能的方式很多，可以按热能、电能、化学能、机械能等方式贮存，太阳能热利用最为广泛，因此，技术最为成熟，商业化程度最高。热贮存的优点是效率高，成本低，安全可靠，技术成熟，最易办到。太阳电池系统是用蓄电池贮存电能；植物贮存着由太阳能转化来的生物质能；太阳能制氢属于化学朗贮存；利用太阳能水泵向高处提水，贮存了可做功的势能。器的结构尺

10、寸大，占地大，投资与成本增加，只有选择密度大的物质才有利。这样看来，增大贮热量的有效途径是选择比热和密度大的物质作贮热介质。显然，在选择贮热物质时还要综合考虑其粘度、腐蚀性、可燃性、毒性、热稳定性和经济性。表17给出一些可作为贮热的物质及其几个性能参数值。液体中水的贮热性能最佳，而且水的粘度低，腐蚀性小，价廉，到处都有。因此，许多集热介质都用水，没水箱可直接贮热与用热，无须设换热器，提高了效率，降低了费用。但水的标准沸点约为100，要在更高的温度范围贮热就必须加压，这会带来一系列结构、成本及运行管理等问题，不可取，应选择其他物质。固体贮热物质用得最多的是砾石。它的性能一船，得到广泛应用的原因是

11、价廉，易得。下面介绍常用的两种显热贮热方式。 (一)用水贮热 在图l一52的太阳能系统户，水在集热器中被太阳能加热后泵入水箱，热能以一定温度的水贮：厂水箱中。当需要使用热量时，水泵2将箱内热水泵入负荷用热，放出热量后返回水箔。如果箱内水温均匀一致，且水箱为开口系，则水的治增量等于集热器传给水箱的热量减去水箱传给热负荷的热量与热损失，可写为：对于小水箱，可认为水温是均匀的，对大水箱，在垂直方向的水温是不均匀的，上层水温高于下层水温，在此情况下，可分段写出类似式l一54的能量平衡方程。以两层为例，如图l一53所示，上层水参数以下标l表示，下层dZ参数以下标2表示。水箱上层的热平衡方式中左边是水箱下

12、层水熔的变化率；右边第一项为上层水传给下层水的热量；第二项为集热器传给下层水的热量；第三项是负荷返回到下层水的热量；第四项是下层水返回到集热器的热量；第五项为下层水的热损失。 用水作为贮热物质，设置贮热器的投资主要是容器与保温材料。同量热水，用的贮热器优于多个小的贮热器，因前者表面积小，散热损失小，保温材料用量也少。到减少投资，在相同容积条件下，应采用表面员小的容积外形。二)堆积床贮热 当携热工质为空气时，如要把热贮存起来，最好是利用各种固体材料形成堆积床贮热装置。即将砾石、铸铁块或其他固体材料堆积放置在容器内，如图l一54所示。当热空气流经堆积床时，便对固体材料加热；在负荷需热时，又使冷空气

13、通入取走热量。现在使用得最多的固体材料是砾石(将岩石破碎成块)或卵石，它价廉，可就地取材，其比热容量以约为2000Um3k，约为水的一半，同时，这种接触式换热器具有较高的换热效率。为增大换热效率，砾石的直径应小些，以增大换热表面积，且温度梯度也要小。砾石直太小，会增大流动阻力。通常直径以25恤为宜。且尺寸均匀，使石块间的间隙均匀，可减少流动阻力。一般空隙率为30。总之是砾石内部的导热热阻与砾石表面的对流换热 以空气为传热介质的砾石床贮热器的太阳能系统如图155所示。该装置没有辅助能源及4个三通阀，可用于建筑供暖。有四种工作状态：建筑无需供暖，集热器收集到的太阳能贮存于砾石床中；建筑物需要供暖，

14、集热器收集的热量直接通入采暖空间；集热器得不到太阳能(如阴雨天或夜间)，建筑需要供暖可使用砾石床的贮存热，并可满足取暖要求；如贮热器贮热不够或已用尽，可启动辅助能源来满足供暖要求。各工作状态都由适当操纵各三通阀来实现。 堆积床热量传递可写成热平衡方程：前者的集热装置在建筑物旁的斜坡上，砾石床贮热器则设置在建筑物房间地板下面。该系统靠自然对流循环，无需风机，不耗费电力。后者是以砾石床和水箱共同贮热。集热器中的热水进入水箱，水箱通过散热将热量传给砾石床。在需热时，空气由风机驱动流过砾石床将热量取出，用来给建筑供暖c5 利用地下土壤、岩石和水贮存太阳热能是一种与砾石床相类似的贮热器。在夏季将太阳能集

15、热器收集到的热量贮存于地下(以空气或水为介质，通过埋于地下的管道传热)；冬季再将热能回收利用。计算和实验表明，能回收贮存热的90。三、潜热热贮存 它是利用贮热物质的相变过程来贮、放热。相变可以是熔解、汽化等物理过程，也可以是水化脱水的化学反应过程。物质的潜热要比显热大得多，这可使贮热器的容积大为缩小这意味着设备占地与投资的减少；物质的相变是在一定温度下进行的，变化范围极小，这个特性使得贮热器能保持基本恒定的热力效率与供热能力；有些相变物质价格不高，可以与显热贮存竞争。由于这些优点，潜热贮能越来越受到重视。各国都在进行广泛的研究试验。有些相变贮热装置已投入运行。 使用最多的相变材料是含结晶水的无

16、机盐类，此外，石腊和某些有机物，以及一些碱，盐和金属也可能作为相变贮热材料。对相变贮热材料的要求是：相变温度适宜；相变潜热高；相变是可逆的，重复循环变化不变质；液相和固相的导热系数和导沮系数高；密度大；比热大；相变体积变化小；蒸汽压低，最好能在常压下操作；无毒，无腐蚀性；无过冷现象。要完全满足上述要求的材料很难找到。在应用中最重要的是相变温度合适，相变浴热高和价格便宜。对于过冷和腐蚀也应给以足够重视。(一)贮热物质的性质对贮热的影响1过冷 当贮热物质在液相被冷却时，难于形成固相，甚至冷到正常的凝固温度以下 仍不固化，一旦晶体形成，温度又恢复到凝固温度(液固平衡温度)，这是一种一相过冷现象，如图

17、158所示。另一种过冷现象是固相虽能在液相中形成，但形成的速率很低，放出的浴热比系统传出的热量少，致使系统平衡温度始终低于正常的相变温度7，这种现象叫雨相过冷，如图l一59所示。可以看到系统平衡温度比正常凝固温度低A。过冷现象直接影响贮热器的放热速率与放热量。过冷程度大小和材料的性质、冷却速率及所含杂质的种类、多少有关。通常杂质含量越多，过冷程度越大。防止过冷的方法是：选用过冷倾向小的材料；加入结晶催化剂(即品种)；使用?即品种)；使 3腐蚀 相变材料大多数有腐蚀性，常会对结构容器和管道等造成腐蚀。防止腐蚀的办法是：选择相容性好的相变材料；在相变材料中加入防蚀剂。防蚀剂有两种类型：一种是在金属

18、壁上形成氧化膜；另一种是在金属表面形成保护层。后者如长链脂肪酸、碳酸氢钠和磷酸钠水溶液等。(二)贮热相变材料 朗作相变材料的有以下几类：水化盐、熔盐、石腊族、非石腊有机物及其他杂类。 四、太阳池简介 太阳池是含盐水池，深度为l一3m。这种水池是集热器与贮热器的结合，可跨季贮存热量。 普通淡水池在接受太阳加热后会发生竖向自然对流，温度高的水层密度较小， 自动浮到顶层，将热量散到大气中。太阳池内使用盐水，池水的含盐旦随深度而变化。底部池水含盐15(按重量计)，中上部为75。由于存在盐分的浓度梯度，抑制了竖向的自然对流。静止的水是热的不良导体，通过导热的热损失很小。同时，将他的底部涂成黑色，以增加对

19、太阳能的吸收。太阳辐射一部分放太阳池表面反射，一部分披上水层吸收，剩下部分穿透上水层逐步被下层水及池底部吸收。实验表明，一个1m深的太阳池靠近顶部的水层为30，而底部水层可达80。为防止散热损失，沿池边和池底最好用泡沫塑料隔热。第五节 太阳能热利用系统 热利用是目前太阳能利用的主要领域，热利用的方式及系统多种多样，本节主要论述在目前我国应用较多的几种方式及系统，即太阳能热水系统、太阳能干燥系统、太阳能采暖及太阳能温室。其他的利用，如太阳能制冷与空调、太阳能水泵，只作简单介绍 一、太阳能热水系统 (一)类型 太阳能热水系统，按热水流动的形式，可分为直流型与循环型；循环型又分为自然循环型与强制循环

20、型。 1自然循环热水系统 它是依靠水温不同引起密度不同而产生的压力差使水循环流动，并在集热器中加热的，如图l一6l所示。该系统靠自来水补充冷水，由球阀控制补充水量(b)；也有增加一补水箱的(a)。这种系统结构简单，运行可靠，不消耗其他能源。缺点是大的循环水箱需高架于集热器之上，造成建筑物或构架的重负；集热效率随水温升高而下降。适用于小型热水系统。 2自然循环定温放水热水系统 如图162所示。这种系统将循环水箱与蓄水箱分开，巨大的蓄水箱可放置在集热器以下的低处，这就解决了蓄水箱高架负重问题；采用定温放水及小的循环水箱加快了热水的循环，提高了热效率，并可多产热水。图中是一种由电接点压力温度计控温的

21、系统。温度计的传感头固定在循环水箱上出口附近相同的高度上，当循环水箱出口处的水温达到预定温度上限时，温度计的温度指示触头便与其上限触点相接触，通过中间继电器J2向电磁阀通电，使放水阀门开启，将热水放入蓄水箱贮存供使用。接着电补给水箱向循环水箱补入冷水，水温下降。当降到预定温度时，温度计的指示触头与下限触点接触，接通另一中间断电器，切断电磁阀的电源，停止放水。 3自然循环变流量定温补水热水系统 为了解决自然循环定温放水系统蓄水箱的安装位置问题，采用如图163所示的系统。它与定温放水系统的结构基本相同，不同的是，取消了补水箱，并将控制装置和补水阀安装在补水管上，根据预定的温度上下限，改变电动调节阀

22、的开度大小，以控制补水量的大小，并将一定温度的热水从循环水笛上部压到蓄水箱。由于从循环水箱底部送入的补水流量在变化，因而从循环水箱上部被挤出的热水流量也随着变化，形成了定温变量放水。 4强迫循环热水系统 如图l一64所示。水泵将水箱中的水通过循环水管2泵人集热器下集管，水经排管到上集管，然后由循环水管l回到水箱。水泵迫使水不断循环。水泵的起停电集热器顶部的预定温差控制，以便达到一定温度供水。止回阀用以防止水泵停二、太阳能干燥系统 太阳能干燥一般以空气为工质，空气通过空气集热器加热至4060，再进入：产燥器与被干燥物料接触，热空气把热量传给物料，使其中的水分蒸发，并被带出器外，从而使物料干燥。这

23、种低温型太阳能干燥系统结构简单，造价低，干燥产品质量高，比自然严燥速度快，比烧燃料干燥节省能源，又不污染环境和物料。因此，可广泛应用于工业、农业各个行业。一)干燥过程及机理 1物料中的水分 物料中含有过多的水分，使之容易腐烂变质，需进行于：燥，除去过多的水分，达到物料与一定温度及湿度条件下的空气长期接触的最终含水量，即平衡含水量或平衡含水率。此时，物料中的水分与该条件下空气中的水分达成平衡，以便于物料贮藏。各种物料的平衡含水量在一定空气温度和相对湿度下是一定的，几种粮食在25下的平衡含水率如表l一13所示。物料内所含水分有化学结合水，即物料中化合物的结晶水，这种水分不能用干燥方法去除；物化结合

24、水，即以物理化学结合力存于物料中的水，如吸附水，结构水与毛细水等，较难通过于燥去除；游离水分，即存于物料孔隙与表面上的水分，又称非结合水，干燥中主要除去这种水分。物料含水的特征直接影响干燥过程除水的难易与快慢。疏松物料主要在其孔隙中含游离水分，易于干燥；谷物、烟草、棉织品等既含游离水，又有较多的物化结合水，干燥过程较缓慢；水果、橡胶或蚕茧等物料，干燥更困难，更慢。 2干燥过程机理 物料内部水分的去除是通过水分向表面的扩散与表面的蒸发同时进行的。干燥速率取决于这两个过程速率的大小，以及哪一个过程的速率起主导作用。如琉松物料内部水分能迅速扩散到表面，即扩散速度大，这时水分的去除主要取决于表面蒸发速

25、度，因而增大物料的表面积和物料与空气间的相对速度都能提高于燥速度。如木材及粘性物料，其内部水分扩散速率小于表面蒸发速率，前者就是影响干燥快慢的主导因素。这时增大空气流速对干燥快慢影响不大，应改善内部水分的扩散的扩散整个干燥过程中，随含水量的减少，干燥速率是变化的。如图168干燥速率与物料含水量关系曲线所示，干燥过程分为三个阶段： (1)预热阶段 图上的阶段。干燥过程从A点开始，随物料温度升高，其含水量减少，干燥速率也迅速增加，到B点达到最大。此阶段的特点是，物料被热空气或太阳辐射加热，其温度迅速上升到该热空气的湿球温度。此阶段消耗的热量主要用于增加物料的内能，提高温度。 (2)等速干燥阶段(B

26、C段) 此阶段物料表面保持恒定的温度(热空气的湿球温度)。对物料的加热量用于其水分的蒸发，相当于水分的蒸发潜热。由于物料表面水分已越来越少，而与物料内部产生湿度差，内部水分就不断向外扩散，此时，水分的扩散速率与干燥速率都保持不变，所以称为等速干燥阶段。C点开始干燥速率又开始变化，故称C点为临界点，C点对应的物料含水率Cc叫临界含水率。 (3)降速阶段(CD段) C点以后，物料内部水分的扩散速率不能满足表面蒸发的需要，使干燥速率下降cj这时所供给的热量除了用于水分蒸发外，还使物体温度升高，趋向于热空气温度c到达D点，：严燥作业完成。 二)太阳能干燥系统 按系统接收太阳能及能量输出方式，可将太阳能

27、干燥系统分为三种类型：温室型、空气集热器型，温室与空气集热器结合型 1温室型太阳能干燥系统 这类系统中，物料主要靠吸收太阳辐射热而被干燥。在结构上，小的可制成箱式，如图169所示。太阳光通过透明盖板直接照射到物料上，对物料辐射加热，也有部分由于热空气流动的对流加热、大的可建立温室，这主要取决于干燥规模大小。但加热干燥的作用原理都相同。一座温室型太阳能果脯干燥系统温室型太阳能干燥系统设计中注意的问题： (1)应尽量提高对太阳辐射量的吸收和利用率 干燥室应能充分吸收阳光的直射与散射。一般午后太阳辐射总量比午前大，午后气温比午前高，因而干燥器的方位以朝南稍偏西为好。偏西角度视所在地区纬度和使用季节而

28、定。一般在3一10o之间。在高纬度区以朝南单斜采光面为宜，单斜面倾角最好为当地纬度的一半，而不是象通常的集热器倾角等于当地纬度。倾角小可使阳光直射被干燥物料而获得最大能量收益，且能减少于燥器顶部空间与周边的热损失。在低纬度区夏秋两季使用时，东西双面采光较好，双斜面倾角应能使水摘自动流淌(约12o左右)。散射光的采集与温室结构有关。主要参数是采光面积与（2)应尽量减少气流流动阻力，使干燥器具有良好的空气动力学特性 应使物料干燥过程水分均匀分布，湿空气排出顺畅，不会在采光盖板内表面形成水滴，且干燥速率高。为使干燥器内的低压差气流供物料均匀干燥，应让气流垂直穿过物料层，湿空气虚迅速从排气口徘出，并尽

29、量避免出现死角。最好采用强制通风，适当增大循环的风速与风量，风速为l一2ms，这对改善于燥均匀性，提高干燥速率和干燥效果有好处。但风量过大会降低干燥温度，增大能量消耗，反而不利。 (3)要有良好的保温与气密性 这种要求比普通种植温室要高度与干燥速率。 (4)结构设计计算可参考太阳能温室部分。以保持较高的干燥温度。2空气集热器型干燥系统 这种系统由空气集热器和干燥室组成。利用集热器加热空气，然后用风机将热空气送入干燥室(小型系统采用自然对流)，对物料进行对流加热干燥。由于空气进行强迫对流，加强了传热、传质过程，从而可提高于燥速度与效率；物料不受阳光直接曝晒吸热，有利于温度、湿度控制。 系统按气流

30、加热与流动情况又可分为：一次加热开路系统、废气中间加热开路系统勺废气加热闭路循环系统。(1)一次加热开路系统 如图117所示太阳能挂面干燥系统。空气集热器总面积84mz。经集热器加热的空气由风机经管道送人干燥室对挂面进行干燥。干燥后的湿空气由诽风扇诽出室外。为使干燥均匀，干燥室顶部还装有三台吊扇向挂面吹风。该系统采用温(热空气温度低于50)大风量设计。每天可烘干出挂面1000一1500kg。它结构简单，操作控制方便。由于热空气一次利用后直接排出，排气温度较高，相对湿度较低，仍有干燥能力，故热利用效率偏低。 美国的农场广泛应用如图l一72所示的系统进行秋季谷物干燥。集热器倾角63O已采用小温升加

31、热与小的流动阻力，使集热器结构简单可靠，操作简便，费用少。今天集热效率随空气流量不同在5t)一70之间： (2)废气中间加热开路系统 如图l一73所示。干燥室上有三组空气集热器，空气由风机驱动通过集热器加热后，进入干燥室，从下向上穿透物料，对部分物料吸湿干燥后又进入集热器受热。这样，空气依次不断受热干燥受热再干燥，不但强化了干燥过程，且空气热能得以充分利用，物料可连续进出生产。最后从干燥室排出的废气朽对湿度较高，系统效率平均达30一40。 (3)废气加热闭路循环系统 如图174所示的太阳能木材干燥窑示意图。空气集热器l把空气加热到预定温度时，温度控制器2使鼓风机3起动，驱动热空气将风门4打开而

32、进入窑内，再由窑顶的风扇向堆放的木材吹拂干燥。通过木材的热空气吸湿后经转换阀门10进入回气管ll而返回集热器循环加热使用。湿空气冷凝的水由排水口9排出。当窑内温度超过规定值时，控制器使转换阀门10换位，让热空气进入窑底部砾石床贮热器7，将热量贮存起来。然后，这种降低了温度的空气经回气管再到集热器加热。在没有阳光时，集热器温度下降，控制器2使鼓风机和风门关闭，而由贮热器放热，可继续干燥木材。当窑内湿度太大时，控制器6使湿空气逸出口5打开，让湿空气排出。(三)太阳能干燥系统设计要点 1根据所要求的脱水量，确定单位时间所需的脱水能量(UA)。再估计系统效率，确定系统所需总能量(kJ)。 2根据被干燥

33、物料的性质、对干制品质量要求及投资、运用费等因素，选定合适的干燥方式及干燥系统的结构及布置。 3确定所需空气的质量流量(k8A)，由此也将知道空气在集热器中的温升()。 4根据当地的日照及气候条件，利用假定的效率估算集热器的采光面积(m2)。三、太阳能采暖系统 我国东北、华北与西北地区，冬季气候寒冷，且时间长，采暖能耗大，广大农村由于生活用能紧缺，冬季靠火炕取暖，室内气温很低，普遍在10以下，甚至室内挂霜结冻但三北地区太阳能资源比较丰富，采暖期(11月至下一年3月)日照率高，冬季大气透明度好，发展太阳能采暖具有优越的条件。且多年来，经过试验与推广大阳能取暖已取得一定经验。太阳能采暖能节省常规能

34、源，清洁，不污染环境，太阳能采暖建筑可与常规住房建筑结合，工艺技术问题较容易解决，而造价增加不多，最多不超过20，并能很快从节省的燃料费中收回，经济上合算，因此，太阳能采暖是缓解我国三北地区广大农村冬季采暖能源紧缺问题，改善农民居住条件的重要途径。在我国南方，如黄河以南和长江流域，冬季室内阴冷，但属冬季不采暖地区，太阳房技术在该地区发展推广，冬夏皆可受益，极受欢迎，也大有前途。按收集太阳能的方法，太阳能采暖可分为两类：主动式与被动式太阳能采暖系统，简称主动式与被动式太阳房。 主动式太阳房是在建筑与结构按太阳房技术条例设计与建造基础上通过集热器、贮热器、管道、风机或水泵等设备来收集、贮存及输配太

35、阳能，向建筑供暖。图l一77，l一78分别为太阳能热水供暖与空气加热供暖系统。由于太阳能的不稳定性，系统中一般都设置有辅助能源，以补充太阳能供暖的不足。主动式太阳房供暖质量高，可与常规能源供暖系统媲美，但投资大，控制系统较复杂。被动式太阳房是依靠建筑物本身的合理布局，通过宙、墙、屋顶、地面及设置的建筑结构尽量多地吸收和贮存太阳能，以自然的辐射、对流和传导的方式传热，提供采暖。它无需专门的集热器、贮热器、管道、风机或泵等设备。这种型式的太阳房结构简单，运行简便，易于推广。但采热量少，室温不高，且波动大。被动式太阳房按集热与供暖的1直接受益式(图l一79) 它是利用阳光直接透过大面积的南玻璃窗进入

36、室内、照射到墙壁、地板及家具上，使其吸热与受热体温度升高，然后通过辐射与对流等换热方式，加热室内空气与其他未受太阳辐射的墙、地板与物件等，提高其温度，提供采暖。这种型式的太阳房结构简单，使用方便，无须额外管理，但白天光线过强，且昼夜室温波动 大，是我国目前采用较多的一种方式。 2集热墙式 是法国学者特朗勃(Trombe)提出的一种集热供暖方式，故又称为特朗勃墙式。如图l一80所示。南面一层或两层玻璃板后面为一道重型结构的集热墙，墙外表面涂有黑色涂料，上下开通风口，并设有可开闭的活门。玻璃板与集热墙之间留有1020cm的间隙。当阳光透过玻璃板照射在集热墙上时，被墙吸收，其外表面温度升高，所吸收的

37、热量，一部分通过玻璃板向室外散失；一部分加热夹层中的空气，从而使夹层中的空气与室内空气的密度不同，可通过上下通风口形成 3附加阳光问式 如图181所示。在居室的南墙外建一玻璃罩着的阳光间。阳光间与室内空间由墙及窗隔开。其供暖机理是集热墙与直接受益式的结合。这种型式的阳光间可用来养花及栽培其他植物，但玻璃表面积大，散热损失大，因而降低了收集阳光的有效热量。 4屋顶集热蔷热式 将充满水的黑色塑料袋放在屋顶上。在冬季白天，太阳辐射把水加热，紧贴着屋顶的水袋，由于其下的屋顶不设保温层，热量通过屋顶传人室内；在晚上，用保温板遮盖塑料水袋，以减少热水向室外环境散热。水的热容量大，可以贮存较多的热量，以满足

38、晚上室内采暖的需要。在夏季白天，将水袋遮盖，晚上打开，能起到防暑降温作用。这种型式用于南方冬季不结冻地区较好.下面分析不同类型太阳房的热性能及其影响因素。 1直接受益式太阳房 这种型式的太阳房如果没有辅助热源，有阳光的白天室温较高，昼夜室温波动较大，使居住者感到不舒适。因此，须分析其影响因素并加以改善。 (1)适当的窗地比 其室温波动大的首要原因是南亩面积过大，因此应选择合适的南窗面积。一般用南宙面积与房间地板面积之比(亩地比)加以限制。不开设窗户的其余南面墙最好都设计成集热墙。宙地比的选择随冬季平均室外气温不同而不同，室外平均气湿.愈低，窗地比应愈大，可参考以下推荐值选取。冬季室外平均气温在

39、5一10的，其窗地比为024o42(宙有保温措施，即可在宙内、外加没保温帘)；1一5，为02435；05，为012025。 (2)贮热体及其配置 进入房间的阳光直射到贮热体上是最有效的。房间的地板，东、西、北墙都可作贮热体，应尽可能使它们受到阳光照射，因此，对于南面房间，进深不大于宙顶端离地高度的2倍就可保证阳光进入整个房间。不过，阳光进入房间的深度d与屋槽距地面高度h及季节、地理纬度有、地理纬度有关。如图l一82所示，为使房间冬暖夏凉，可考虑按表l一15选取d儿值。同时，阳光直射到贮热体上的表面积不应小于宙玻璃面积的4倍。通常地面及墙都是由砖或混凝土等重型材料构成，其厚度达到10cm就能满足

40、直接受益式太阳房贮热的要求。再增厚对房屋热性能影响不大。为增加房屋内表面对阳光的有效吸收，由于地板受阳光照射时间最长，地板表面应涂成深色(深棕色或紫红色)；墙可为任何颜色，所有轻质结构都应涂成浅色，地面不要铺设大地毯。 (3)玻璃层数和结构保温 玻璃窗的夜间保温对直接受益式系统的供暖保证率影响很大。在夜间无保温时，玻璃层数对节能起较大作用，但夜间有保温时，增加玻璃层数的作用就减少了。单层玻璃有保温比无保温增加玻璃层数时的保温效果要好得多。活动的宙保温设施(如保温帘)是太阳房减少室温波动的有效措施。合理的玻璃层数完全取决于气候条件。气候温和和过渡地区(纬度40。以内)皆可采用单层玻璃加保温措施或

41、双层玻璃；寒冷地区(纬度43。以上)，可采用双层玻璃加保温或三层玻璃。而且夜间有保温时，采用多层玻璃的性能仍好些。(1)集热墙存在着最佳厚度范围 相同材料不同厚度的集热墙，在白天日照期间，外表面的温度十分接近，其对流供热量Qc也相差不多，但其内表面最高温度及最大导热供热量Q反的数值及出现时间却有很大不同。 (2)同一材料、同一厚度的集热墙，有无通风孔及有无夜间保温时的热性能差异较大有通风口、夜间有保温的集热墙全天集热效率(包括vc，32x)最高，应当优先采用。无通风口的集热效率万?g最低。但其传热集中在夜间，因而夜间供热多。由于外表面温度高，散热损失最大。如直接受益式的窗问或窗下设置无通风口的

42、集热墙式系统，可改善其温度波动状况。 (3)集热墙通风孔面积与空气夹层厚度 集热效率与A、，A s(通风孔面积与夹层横断面积之比)有关。v?w随A、，A s值的增加而略有增加。当墙高253m时，一般i今A，值取07一10较为适宜。上下通风孔面积通常作成相等， (4)集热墙表面的颜色 应选用对太阳辐射光吸收率较高的颜色，如黑色、暗蓝色墨绿色等。其吸收率均在085以上。用选择性涂料对热性能影响与加保温设施相当。 3附加阳光问式太阳房 这种太阳房在结构上有两种：一是附加阳光间(或阳光走廊)的北墙与主建筑南墙共用，其他三面墙凸出于建筑的南立面之外；另一是附加阳光间的北、东和西墙与主建筑的墙体共用，南玻

43、璃透光墙在主建筑南场面之外，并与主建筑南立面为同平面。影响系统热性能的因素有：1)温室内的贮热容量 温室内的贮热体是共同的砖墒与地面，应有足够的贮热容量。若共用墙为轻质隔热墙，贮热容量小，则可在温室内放置贮水简(袋)，以水作贮热物质，增大贮热容量。(2)附加温室的方位与采光面的倾角 温室的采光面朝正南时，其热性能最好，但在偏离正南i 30。以内时，方位的影响不甚明显。温室采光面为单斜面对，倾角变小，采光投影面积增大，其热性能改善，但小倾角方案使造价增加，并易积雪，且室内空间实用性差，故不宜采用。3)附加温室共用墙上的开口 共用墙上的开口可以是门或窗，也可以是类似集热墙式的上下通风口。自温室进入

44、房间的对流热量与开口大小有关。对于上下通风口的方案，当开口面积与共用墙投影面积的比值超过004后，开口面积大小对太阳房系统热性能无明显影响；共用墙为砖墙时，由于墙体的贮热作用，培上有无开口对年节能宰的影响为20左右。而对于不贮热的绝热墙，当墙上无开口时，太阳能就不能传至室内。因而，太阳能的年节能率或保证率为零。(三)太阳房设计 包括建筑设计与热工性能计算。 1太阳房建筑设计的主要考虑 太阳房的良好热性能要靠建筑结构来保证，因此，符合太阳房技术要求的建筑设计是很重要的。 (1)太阳房的朝向选择 太阳房的朝向应满足冬季有较多的日照，夏季避免过多的日晒与有利于自然通风降温的要求，但主要还是冬季采暖的

45、要求。冬季由于太阳方位角酌变化范围小，南墙面日照时间最长，从日出到日落都能得到日照；北墙全天得不到日照；东西墙的日照时间也很少，仅南偏东与偏西30。朝向范围内，冬至日仅有4小时的日照。冬季太阳的辐射量也以南墙面接受的直射辐射量最多，南偏东或偏西各15。范围内日射量减少不多，而且在冬季通常一天的最低室温在早上56点；最高室温在下午24点。这随房间的朝向不同有些差别。从以上几点看，各地区南向稍偏东的房间全天从外界的得热可能分布较均匀。因此，太阳房从正南到南偏东15。都是适宜朝向。此外，还须考虑用房的时间，如农村中小学、办公楼，一般晚上无人，希望上午一上班、上课室内暖和，其朝向可选南偏东10一15。

46、农民住房希望晚间暖和些，其朝向可选南偏西10一15。 (2)建筑的布置 平面布置尽量采用大开间小进深，以争取冬季多得阳光，但在受建筑物造型或地形限制必须采用大进深时，对于住宅应尽量把居室、客厅等主要房间放在南侧；辅助姓房间，如厨房、库房、厕所等布置在北侧。对于学校、办公楼，把走廊放在北。(3)建筑结构与保温 太阳房墙体可采用复合夹心墙体结构，如辽宁普遍采用外侧砖厚120mm、内侧砖厚240mm、中间央100mm厚珍珠岩保温层，内外各0mm厚抹灰的墙体。中间夹心层的厚度可随地区的寒冷程度而增减。这种墙体贮热容量多，保温性好，房间热稳定性较高，室温被动小，在同样梁板条件下，室内使用面积较大。缺点是

47、施工较麻烦。因墙体内外层需要拉结，且不利于抗震。屋顶可用珍珠岩保温，炉渣找坡，水泥砂浆找平，油毡防水的作法。但珍珠岩应干法施工，防止其吸水降低保温性能。 2被动式太阳房热工计算的简易方法 在太阳房的热工设计阶段，要求有简便的计算方法，通过计算器的运算或查图表对热工设计作反复调整、改动，直到满足原始设计要求。鲍尔科姆等提出了用SLRSHF相关计算太阳房月太阳保证串和LCBSHF相关计算年太阳保证率的方法。这两种简化计算方法都是在计算机模拟得到的详细数据基础上进行综合的结果。四、太阳能温室 (一)概述 温室包括玻璃温室、塑料温室及塑料大棚，统称为温室。太阳能温室是指不加温的温室，多数采用塑料薄膜为

48、透光材料。温室相当于一个太阳能集热器，它接受阳光照射，一方面满足植物光合作用对阳光的需要，同时使温室保持一定温度，以满足植物生长对温度的要求。因此，温室在设计与结构上就应保证获得更多的太阳辐射能与减少热损失。 温室作为我国菜篮子工程的重要组成部分，又是农民脱贫致富的重要手段，也是农村广泛利用太阳能与节能栽培的重要途径，在农业中占有重要位置。为此应吸取广大农民在建造温室实践中的经验，设计出适合我国发展蔬菜生产与适应我国农民经济、技术水平的温室。通常，在设计建造上，对温室提出如下几点要求：采光蓄热与保温性能良好；规格尺寸和规模适当；应按不同作物、不同生育阶段的需要，具有合理调节温、光、水、气等环境

49、条件的能力；建造材料尽量就地取材，注意实效，以降低投资，增加资金的投入产出比。二)温室的热平衡 热量平衡是温室小气候形成的物理基础，也是温室建造设计和栽培管理的依据。温室(以下都是指不加热的日光温室)从太阳辐射获得热量，并在室内的结构物、空气、土壤与作物之间进行着复杂的热交换与质量交换(水分的蒸发与凝结)，如图l一87a、b所示。并可写出其热平衡方程为：房屋外围护结构，包括房项、地面和外墙也必须有隔热保温设计，如加厚墙体，采用复合保温材料，在内外砖墙之间夹隔热材料，或在外墙面上贴隔热材料都有好的保温效果并提高了房屋的热稳定性。如20cm厚的加气很凝土墙房间的热稳定性相当于37cm厚砖墙房间的保

50、温水平。采用钙塑之类的轻质保温材料夹心的混凝土墙房间的热稳定性也较好。也可参照一般民用建筑门窃缝隙向室内渗入的冷空气所消耗的热量计算。不管用哪一种方法计算都只能作参考。一般在密闭情况下，此项损失约为Q的10。但仍要尽量减少缝欧及围护结构的破损。特别是冬季风速很大时，这项损失会迅速增加。风速由1ms增至6ms，缝隙冷风渗入量将增大约7倍。 Q：为土壤传热损失。此项损失主要是土壤横向向室外冷土壤的传热。可通过在温室四周控防寒沟，并在沟中填马粪、稻壳、落叶或碎草等，然后在表面覆土踩实的办法来减少横向传热损失。也可采用“室内地面下凹”的办法。 QI为土壤水分蒸发及植物蒸腾所消耗的浴热传热量，此项热量不

51、是损失。 Qf为室内物体及空气等的增温热量。也不是损失。只是围护结构吸热升温要增大其向外散热量。 通过温室的热平衡，分析热流的进、出，可寻找减少热损失、提高温室热利用效率的地记温室采光设计温室采光设计的要点： (1)温室的方位 温室能在冬季光照良好，其方位都是东西延长、座北朝南。为了能早些接受直射光，可向南偏东10。但北纬40。以北的中、高纬度地区，冬天早上气温低，南偏东的温室为接受阳光就须提早揭开草苫，使室温明显下降。会得不偿失。在严寒地区，为延长午后光照蓄热时间与利于夜间保温，以南偏西10。左右为好。 (2)前屋面倾角 投射到屋面上的阳光一部分被透光材料吸收，一部分被反射回去，剩下部分透过

52、进入室内。实际上，阳光被吸收的部分很少，而且还有部分传人室内，故要使阳光多进入室内，就应尽量减少反射部分。试验表明，入射角在0o一400。范围内，透光量最大，且随入射角增大，下降不明显；在40。一60。范围内，随入射角增大，(3)采光屋面形状 采光屋面的水平投影占温室跨度的比例由6723。后坡短、采光面所占比例大的温室采光较好。采光屋面形状也影响采光好坏。采光屋面形状主要有半圆拱形、椭圆拱形、两折式(如大小双斜面式，一斜一立式)和三折式4种形式.采光屋面在水平面上投影长度均为5m，脊高均为297m的条件下，半圆拱式屋面倾角分布合理，而且受力状况也较好。椭圆拱式的采光面倾角分布不合理，所以采光效

53、果远远低于其它几种形式的温室。玻璃温室屋面形状还要考虑玻璃标准规格以便于安装。(4)采光盖层材料的选择 目前温室的采光盖层材料主要是玻璃与塑料薄膜。玻璃温室通常用5mm厚平板玻璃作盖层。玻璃对阳光透过率高，在085以上；具有温室效应，可减少低温长波热辐射损失；比较坚固耐久，能抗大风侵袭；用水冲洗易排除尘土污染，保持高的透光率。但重量大，价贵，使温室投资大。塑料薄膜有聚氯乙烯膜、聚乙烯膜和醋酸乙烯膜三种。它们的厚度多为008012mm，聚乙烯膜为无色透明，聚氯乙烯略显蓝色。它们都可透过03fm的紫外线，玻璃则完全不能透过。对可见光和红外线都有较高的透过宰，但稍次于玻璃，且对低温长波辐射也有高的透

54、过串，温室效应差，使温室辐射热损失增大。易被油污尘土污染，且不易清除，使透光率下降；易损坏，不耐老化， 2温室的总体尺寸设计 (1)跨度与高度 为使采光合理，便于建材选择和夜间覆盖保温管理，根据各地的经验，在北纬40。以北或冬季湿度经常在20以下的地区，跨度以6m，高度以2。728m为宜；北纬40。以南冬季气温较高的地区，跨度以7m，高度以31m为宜。 (2)前后屋面与墙体 前屋面角度从采光及结构角度考虑已如前述。后屋面的角度决定于屋脊与后墙的高差和后屋面的水面投影长度。若脊高与后屋面水平投影长度已定，则后墙愈矮，后屋面角度愈大，反之愈小。后屋面倾角最好大于当地冬至时的太阳高度角7一8o，这样

55、就可使后屋面在11月上旬(立冬)至次年2月上旬(立春)之间中午前后接受到直射阳光，后屋面可吸热与贮热。墙体与后屋面既起承重与围护作用，又是保温蓄热体。为了增加墙体和后屋面的保温蓄热能力，内层要选择蓄热系数大的建筑材料，外层要选择导热系数小的保温材料；同时要有足够的厚度，以增大热阻。据调查，在北纬35。左右的江淮平原与华北平原南部，墙厚度以081m为宜；北纬40。左右的华北平原北部和辽宁南部地区，相当的墙体厚度以10一15m(包括防寒土)为宜，如总厚度为48cm的夹心墙：从内到外为砖12cm，填充珍珠岩12cm，砖24cm。后屋面厚度可在4070cm之间，低纬度地区可薄些，高纬度地区必须厚些。而

56、且须用保温性能好的材料，如秸秆、稻草、玉米外皮、草泥等组成后屋面。后屋面的长度还不能太短，北纬40。以北地区6m跨度的温室，后屋面水平投影长度不宜少于15m；北纬40。以南7m跨度温室不宜小于12m。这样，由于保温的加强，墙 (3)温室长度 温室不宜太短(20m以下)，太短会使墙遮荫面积占温室总面积的比例大，对作物生长和产量不利，且单位面积造价高；太长(60m以上)也不便于管理与维护。因此，温室长度以5060m为宜，也就是1520间为一栋。 3场地选择、规划与温室细部结构 (1)场地选择 应选择地形开阔、平坦、避风向阳、对通风、采光、保温均有利的地点；应有良好的土质，接近水源与徘水方便；周围无

57、烟尘、有害气体及污染源；且离公路较近，交通方便，便于产品运销。为减少土壤横向四周的散热，在温室四周应挖防寒沟。一般沟深60100cm，纬度高的地区应深些，宽3040cm。在沟四周铺上旧塑料薄膜，再填满干草或炉渣后顶上应境15cm厚的土，并带斜坡，以防雨水渗入沟内降低防寒效果。 温室上下部设置通风换气口，用以降温、排湿、补充002。上部排气口设在屋脊处，排气能力最强；下部进气口设在距地面1m高处。通常也可不特设进、诽气口，而是通过揭开塑料薄膜放风，比较方便。 进出口供人进出，较大的温室在其一端设作业间，门开在山墙上，工作方便，且可避免冷空气直接进入温室。对小温室也有在后屋面上开口出入，平常用盖盖

58、严，以防冷风侵入。4温室结构材料选择 (1)骨架 主要用于支承温室结构自重、承受风载、雪载与其他载荷，以及保持温室的结构形状。要求骨架材料有要求的强度与刚度，取材与安装简便，价格便宜。常用的骨架材料有竹木骨架：包括后屋面下的中校、花木、檀木，前屋面的前柱、横梁和竹皮拱杆；钢筋混凝土预制件与竹皮拱秆混合骨架，钢筋混凝土预制件主要用作柱、校、镍；钢筋或钢管骨架，主要用钢筋或钢管制成衍架式拱架，放置在东、西、北墙上，无须柱，构。三类骨架材料中，竹木骨架取材容易，施工方便，造价低廉。但为了保证结构强度与刚度，需采用断面大的竹木骨架必将引起严重遮光。但目前农民仍在广泛使用。用钢筋混凝土预制件代替木料作骨

59、架，较之木材耐用，但施工技术要求高，成本较高，也是目前广泛使用的材料。钢筋或钢管格架有现成产品，安装方便，它不占温室使用面积，使室内宽敞，遮光少，经久耐用，但价格高。 (2)墙体材料 墙体除作为围护结构外，主要要考虑增强其保温蓄热能力。常见的墒体有土墙(用粘土掺草夯实)，砖墙及砖夹心墙。下面表1一17给出各种建筑材料的热性能数据供选择材料时参考。 (3)覆盖材料 包括透光覆盖材料与夜间保温覆盖材料。透光覆盖材料已如前述。夜间保温覆盖材料主要有草苫(帘)、纸被、棉被及无纺布。草苫是用稻草、蒲草、谷草或蒲草加芦苇等编制，它们保温效果好，能就地取材。但遇雨雪吸水后重量加大，保温性能下降，揭盖费时费力

60、。纸被主要放在草苫下面以增强保温能力。棉被保温能力强，但造价高，却可多年使用。无纺布是由聚配纤维制成，其结构密实，保温性能好，有一定的吸湿性，宜用作温室的内砖保温幕。 (四)几种温室的结构及特点 1单宙面温室 如图l一89所示。属小型玻璃温室。它结构简单，投资少，保温性能好。由于冬季太阳高度角小，阳光可以射到室内，但采光面小，遮荫的柱子多，影响采光。主要是冬季使用。 2双窗面温室 如图190，191所示。都属玻璃温室，为在冬季能种植喜温作物，用火炉补充供热。这两种温室结构基本相同，只是前窗一为倾斜，一为直立c它们保持了单窗面温室保温性能好，结构简单的优点，并增加了采光面，使采光改善，北京地区称