介紹
太陽能通風空氣預熱或太陽能通風預熱技術是利用太陽輻射的能量來預熱通風空氣。自1990年代以來，這項技術就采用了由通常涂有深色顏料的穿孔金屬壁板組成的蒸發(fā)收集器的原理，現(xiàn)已在市場上銷售。由于技術的簡單性，維護要求最少。該技術除通風風扇外沒有其他活動部件，因此可以持續(xù)使用數(shù)十年。太陽能通風預熱技術的最佳應用是工業(yè)建筑，例如車輛維護車隊，它們需要大量的通風空氣，并且與金屬壁板的美觀度非常匹配。但是，該技術已用于美學要求很高的應用中，包括在娛樂場所的訪客中心。
與其他太陽能技術（例如光伏技術或太陽能熱水系統(tǒng)）相比，太陽能通風預熱具有最低的成本和最高的效率。但是，光伏發(fā)電可用于許多用途。而太陽能通風預熱系統(tǒng)僅用于預熱通風空氣。它也已用于干燥加利福尼亞和中美洲的農作物。從廢氣中回收熱量可以提供一種低成本的方式來一天24小時預熱通風空氣，并且可以減少太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)的預期節(jié)省。盡管兩者可以一起使用，但加熱通風空氣只需要花費大量能量，以至于相同的英制熱量單位（Btu）無法節(jié)省兩次。
在AVUM直升機維修機庫的SolarWall太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)在Fort Carson美國陸軍基地，科羅拉多斯普林斯南部，科羅拉多州。
本概述旨在為聯(lián)邦機構提供特定的詳細信息，這些機構考慮將太陽能通風預熱技術作為新建筑項目或重大裝修的一部分。
描述
太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)包括以下組件：
- 蒸發(fā)式太陽能集熱器
- 安裝支架
- 周界閃爍
- 換氣扇
- 管道和風管
- 致動旁路風門。
當入射的太陽輻射加熱蒸發(fā)的太陽能集熱器時，開始進行太陽通風空氣預熱系統(tǒng)的過程。這是由四英尺寬且任意長度的穿孔金屬板構成的墻。集熱器上打有小孔，并涂上深色以吸收最大的太陽輻射。
通過安裝支架將蒸散的集熱器固定在朝南的墻壁上，該安裝支架將蒸散的集熱器從墻壁上直立放置，以形成4英寸至6英寸的氣室或空間，以保留預熱的通風空氣。像所有金屬壁板一樣，在大多數(shù)地區(qū)，集熱器和安裝托架必須承受每小時90到110英里范圍內的風荷載，而對于具有颶風潛力的地區(qū)，則必須承受每小時150英里以上的風荷載。
典型的太陽能通風預熱系統(tǒng)。
周邊噴水用于密封墻周圍以及所有門，窗，壁掛式電表或面板和其他障礙物的邊緣。照明裝置可以安裝在蒸發(fā)收集器的表面上。底部有防蟲孔的泄水孔，底部有防蟲網，以防積水收集到任何水。
通風空氣通過通風風扇的作用從收集器中的孔中吸入并進入通風室內，通風風扇通常已經存在于建筑物中。太陽輻射在將通風室內的空氣吸入建筑物時對其進行加熱。如果使用空氣處理單元，則可以進行修改以將預熱的通風空氣引入第一階段。
短管，織物管或現(xiàn)有的管網可用于將來自太陽能通風預熱系統(tǒng)的熱空氣直接分配到通過其他方式（例如單元加熱器）加熱的空間中。但是更有可能的是，將太陽能預熱的空氣輸送到空氣處理單元的第一級。該第一階段將在太陽能通風預熱器的管道上有一個致動的旁路風門，在室外空氣風門上有一個風門。這些風門將受到控制，以便當空間需要加熱時，外部風門將關閉，而太陽能通風預熱風門將打開。如果該空間不需要熱量，則將打開外部空氣風門，并關閉太陽能通風預熱風門。
它是如何工作的？
太陽能通風空氣預熱收集器面板的工作方式。
太陽能空氣預熱收集器的工作原理基于稱為“邊界層”的概念。無論風如何，與收集器板接觸的空氣都不會移動，因為壁不會移動。在厚度小于1毫米的薄空氣層中，該邊界層導致熱量從集熱板到空氣的有效傳遞。這些孔足夠靠近，可以在太陽逸出的空氣逸出之前將其吸入邊界層。
如果通過墻體的流量下降到每分鐘收集器每平方英尺不到2立方英尺的空氣（CFM /ft²），那么這種熱量就有機會消失，收集器效率會急劇下降。另一方面，如果流速大于8 CFM /ft²，則通過小孔吸入空氣所需的風扇功率可能會過高。根據(jù)收集器中孔的大小和間距，最適合的流速為4 CFM /ft²。關鍵是指定孔隙率和/或收集器的尺寸，以在所需流速下保持25帕斯卡（Pa）的壓降。
技術類型和成本
太陽通風預熱技術由Conserval Engineering的John Hollick發(fā)明，并于1994年以SolarWall的名稱引入。在1990年代，NREL對這項技術進行了研究。最近，該技術已獲得金屬建筑部件制造商ATAS International的許可，并以InSpire的商標進行銷售。從1990年到2009年，全球安裝了1500多個系統(tǒng)，集熱器總面積超過330萬平方英尺。美國市場可能約占這一市場的三分之一，主要在東北的工業(yè)設施以及商店和飛機機庫等軍事設施。國際上一些最大的系統(tǒng)用于溫暖氣候下的農作物干燥。
盡管其效率高且成本低，但是太陽能通風預熱技術并未得到充分利用。下表列出了此技術的典型安裝成本，盡管據(jù)報導每平方英尺成本高達40美元。
太陽能通風預熱技術在翻新應用中的安裝成本。
| 蒸發(fā)收集器 | $ 14.50 /平方呎 |
| 支持，閃爍等。 | $ 7.50 /平方英尺 |
| 安裝 | $ 4.00 /ft² |
| 其他費用 | $ 4.00 /ft² |
| 總 | $ 30.00 /平方呎 |
來自環(huán)境能源的信息。
應用
在決定太陽能通風預熱是否適合建筑項目時，必須考慮以下幾個因素：對白天通風的穩(wěn)定要求，有很多加熱天數(shù)的位置，對廢氣沒有熱量回收，并且沒有過多的內部熱量獲取（來自燈光，計算機或人員），從而無需加熱通風空氣。
以下各節(jié)提供了有關場所和使用特性，經濟性，潛在節(jié)省熱量，操作和維護要求以及可能影響此決策的其他考慮因素的特定信息。
確定站點是否適合進行太陽能通風預熱的因素包括：
- 對通風的穩(wěn)定要求
- 具有足夠采暖需求（加熱天數(shù)）以證明經濟合理的氣候
- 尚未通過內部增益加熱的建筑物（許多計算機或其他散發(fā)出熱量并需要全年冷卻的設備）
- 一面大而無遮擋的朝南墻，用于支撐太陽能通風預熱器
- 諸如柴油機煙灰之類的因素使常規(guī)的熱量回收無效（在從廢氣中回收熱量的系統(tǒng)中，由于太陽能通風預熱系統(tǒng)而導致的節(jié)省減少了）
- 加熱用的昂貴燃料，例如電，油或丙烷，是特別好的應用
- 太陽能通風式預熱器不應放置在卡車車廂等污染源附近。
理想情況下，應將太陽能通風預熱系統(tǒng)設計和安裝在面向真實南方（北半球）45度以內的位置，以最大程度地收集太陽能。如果可能的話，東部的太陽能通風預熱比西部的要好，因為通常早上需要的熱量比下午要多。
一個已經可以從廢氣中回收或計劃回收熱量的設施（從空氣到空氣的熱交換器，旋轉的乙二醇回路或旋轉的焓輪）可以采用成本更低的方式來一天24小時預熱通風空氣。這將減少太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)的預期節(jié)省，并因此減少其經濟可行性。在排氣流中包含柴油機煙灰或其他會污染熱回收系統(tǒng)的污染物時，通常使用太陽能通風預熱。盡管兩者可以一起使用，但加熱通風空氣只需要花費那么多的能量，相同的Btu無法節(jié)省兩次。
經濟學
本節(jié)中提供的成本假設在很大程度上取決于鋁和建筑工人的市場。預計這些成本在未來不會下降，而是假設以總體通貨膨脹率升級。
太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)的成本可以根據(jù)每平方英尺系統(tǒng)的安裝成本（上面提供）和系統(tǒng)尺寸來估算。收集器的尺寸應允許每4立方英尺每分鐘通風空氣1平方英尺的收集器面積，盡管收集器的尺寸可能受到可用壁空間的限制。
可以通過從資源評估中獲得太陽能通風預熱系統(tǒng)每年總熱量輸送的70％（每年千瓦時，千瓦時/年）來估算熱量-基于蒸發(fā)式太陽能集熱器的典型熱效率為70％ 。某些輸入能量將用于為風扇供電，但一年中使用的每小時每小時可以估計為每平方英尺集熱器1瓦。根據(jù)《 2007年能源獨立與安全法》為可再生能源系統(tǒng)規(guī)定的40年壽命，適合在生命周期成本分析中用于蒸發(fā)式收集器。
由于太陽能通風預熱器的低成本和高效率，國家可再生能源實驗室（NREL）的分析表明，即使與相對低成本的天然氣競爭，它也通常具有成本效益。當與更昂貴的加熱燃料（例如電或丙烷）競爭時，經濟效益會更好。但是，經濟可行性不僅取決于太陽能，還取決于建筑物是否需要熱量。
該圖顯示了天然氣價格的計算，這將導致儲蓄投資比≥1
相應的地圖顯示了將導致儲蓄與投資比率為1或更大的天然氣價格（以美元/熱價計）。該地圖顯示，在最佳地區(qū)，該技術的供熱價格低于$ 0.50 /熱，而在全國大部分地區(qū)，供熱價格均低于$ 1 /熱。該地圖還顯示了激勵措施在伊利諾伊州等州的影響。
評估資源可用性
太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)的節(jié)省取決于兩個因素：朝南的墻上的太陽能資源和該地點的加熱程度。基于這些因素，該地圖顯示了美國每平方米集熱器每年節(jié)省的千瓦時潛在能源。
太陽能通風預熱技術用于預熱通風空氣的潛在熱量傳遞圖。
該地圖顯示了美國西南部的靶心，一直到加拿大邊境一直都有豐富的資源。在得克薩斯州南部和佛羅里達州等不需要暖氣的地方，節(jié)省的錢微不足道。這些節(jié)省是基于一個假設，即每周7天使用熱量。如果周末不加熱通風，則該值將降低28％；如果隔離墻位于南部以東或以西45度，則該值將降低約20％。
設計注意事項
將太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)集成到建設項目中時，主要考慮因素包括：
- 提供朝南的高度安裝蒸發(fā)式太陽能集熱器的區(qū)域
- 每4立方英尺/分鐘的通風空氣1平方英尺的收集器面積
- 避免污染源，例如卡車裝卸場
- 避免從其他建筑物或樹木遮蔭
- 提供從南墻到空氣處理機組的風管通道
- 在空氣處理機組的第一級提供恒溫控制的旁路風門
- 將太陽能預熱的空氣添加到控制器溫度測量中
- 提供編程為致動旁路風門的控制器。
運維
對于太陽能通風預熱系統(tǒng)，運行和維護（O＆M）最少。首先，收集器本身沒有活動部件。在非常臟的環(huán)境中，建議定期清潔收集器。不要給集塵器上油漆，因為小孔會堵塞油漆。供應商提供標準的20年保修，以解決壁板材料和所用含氟聚合物涂料中的缺陷。與能源供應有關的履約保證必須由能源服務公司根據(jù)履約合同安排或特殊的履約保證合同提供。
即使沒有太陽能通風預熱系統(tǒng)，也要進行與風扇相關的維護，前提是建筑物無論如何都會有通風空氣。風扇維護包括潤滑軸承和定期更換風扇驅動器。與旁路風門相關的維護可能會涉及隨著時間的流逝而更換風門執(zhí)行器的情況。
特別注意事項
環(huán)境審查/許可
安裝在現(xiàn)有設施上的太陽能通風空氣預熱系統(tǒng)通常有資格獲得豁免。添加到新建筑中的系統(tǒng)不應給《國家環(huán)境政策法案》的審核過程增加任何負擔，也不應增加任何其他允許的問題。
相關法規(guī)和標準
通風系統(tǒng)有各種地方和國家法規(guī)和標準。通風率通常根據(jù)美國供熱，制冷和空調工程師協(xié)會（ASHRAE）標準62來確定。
美國國家電氣法規(guī)對電氣部件（風扇和控件）的接地，國際建筑法規(guī)以及美國土木工程師協(xié)會關于建筑物外墻的標準（例如風荷載）有要求。
關于管道系統(tǒng)的統(tǒng)一建筑規(guī)范還包含適用于普通太陽能通風預熱裝置的標準。
此外，建議使用專業(yè)工程師的郵票進行墻體結構附件，通風系統(tǒng)設計和電氣設計。
其他資源
網站
刊物
- 太陽能就緒建筑規(guī)劃指南 ，NREL
