太陽能室內空氣循環加熱器結構設計及可行性分析＊

商镕麒，苗 琦

（東北師范大學附屬中學，吉林 長春 130021）

1 前言

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，在能源利用率不斷提高的同時，人們的環境保護意識也逐步提高。對此，國家也提出了可持續的能源發展戰略方針，越來越多的人將目光聚集到無污染的新型可再生資源上，而在這些可再生資源中，無論是從儲存量，還是覆蓋范圍，太陽能都占據了重要的位置[1]。太陽能以儲量的“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性和逐漸顯露出的經濟性等優勢，使其利用成為解決能源短缺、環境污染和溫室效應等問題的有效途徑之一，是目前以及將來比較理想的清潔能源[2-3]。

我國太陽能開發利用有其成功之處，但也存在諸多問題。太陽能熱利用技術作為我國發展較為成熟的技術之一，盡管在同類技術、市場上處于世界領先地位，但是，太陽能熱利用主要集中在傳統的熱水器和熱發電方面，而分散式的用于太陽能加熱室內空氣的卻很少[4]。

這里所述的太陽能室內空氣循環加熱器是基于筆者前期所申請的實用新型專利。該專利主要是針對我國冬季室內溫度較低且無供暖設施的廣大地區，以及北方冬季寒冷地區供暖前后的過渡期和供暖期溫度較低的住戶。運用該裝置，利用太陽能對室內空氣進行循環加熱，可以提高冬季室內空氣溫度，從而達到有效利用清潔的太陽能資源，減少對傳統化石燃料的消耗的目的。本文通過對太陽能室內空氣循環加熱器結構的初步設計，針對系統結構、技術理論等方面的可行性進行了分析，為下一步實際的安裝、調試、實驗研究等工作的順利進行做好充分的前期準備。

2 系統結構設計

太陽能室內空氣循環加熱器系統結構如圖1所示，它主要由出風管、溫度控制擋板、真空玻璃管、連接管、進風管和蓄熱材料等部分組成[5]。該系統可以垂直布置于墻室外面上，也可以放置在樓房的陽臺內，整個裝置可以傾斜一定的角度，這樣既可以增加其穩定性，也有利于對太陽能的有效吸收。太陽能室內空氣循環加熱器系統結構設計或安裝過程可以參照以下步驟進行：①根據需要選用一定數量的雙開口真空玻璃管，并按照一定的間距排列，用管卡固定在事先準備好的金屬框架上；②在每根真空玻璃管內放入一定量的蓄熱材料（顯熱蓄熱材料即可），比如小鵝卵石、小巖石顆粒等，但要注意蓄熱材料的量盡量不要超過真空玻璃管斷面積1/2的空間區域；③用連接管將真空玻璃管首尾相連，連接管可以去市場選購或自己制作，但一定要選用保溫性能好的材料；④根據需要選用出風管、進風管與加熱器主體連接起來，出風管、進風管也一定要選用保溫性能好的材料；⑤在出風管的出口處設計帶有一個支點的簡易擋板結構，擋板的質量可以根據實驗測試具體確定。

3 系統工作原理

3.1 真空玻璃管的集熱原理

太陽能室內空氣循環加熱器系統中的核心部件——雙開口真空玻璃管，其結構由內玻璃管、太陽選擇性吸收涂層、真空夾層和外玻璃管等部分組成。當太陽光照射到真空玻璃管時，由于玻璃本身對熱射線的透過具有選擇性的特點，即從太陽來的短波（高溫輻射）熱射線比較容易進入到管內，而管內的長波（低溫輻射）熱射線卻很難通過玻璃管輻射出去[6]；再加上內玻璃管壁面的選擇性吸收涂層，使得太陽熱射線更多地進入到玻璃管內被吸收。而雙層玻璃管的真空結構阻止了內部熱空氣以導熱和對流換熱的形式向外界散熱，從而達到高效集熱的目的。

圖1 太陽能室內空氣循環加熱器系統結構示意圖

3.2 集熱系統的工作原理

在太陽能室內空氣循環加熱器系統中，可以根據需要設置若干根裝有蓄熱材料的真空玻璃管，這些真空玻璃管水平放置、豎向排列、首尾相連，形成蛇形結構系統。當太陽光照射到真空玻璃管時，由于真空玻璃管的集熱作用，使得進入管內的空氣和蓄熱材料被加熱。進入管內的空氣由于溫度升高、密度降低，在蛇形真空玻璃管內、外空氣密度差（壓差）的作用下，管內熱空氣向上流動進入室內，如圖1所示。為了控制進入室內熱空氣的溫度，在管路的出風口處安裝了溫度控制擋板。當蛇形真空玻璃管內熱空氣溫度不夠高時，管內、外密度差（壓差）不足以推開控制擋板，擋板由于重力作用而關閉。隨著管內空氣逐漸吸熱、溫度繼續升高，當蛇形真空玻璃管內熱空氣溫度達到規定值時，管內、外密度差（壓差）推開控制擋板，熱空氣進入室內，實現對室內空氣的循環加熱。真空玻璃管內裝有多孔蓄熱材料，主要是為了緩解由于短時太陽光照不足對空氣加熱的影響。當短時沒有太陽光或太陽光照不足時，蓄熱材料可以釋放自身存儲的熱量繼續對管內空氣進行加熱。

4 技術及理論分析

4.1 空氣的吸熱量

玻璃真空管內空氣的吸熱量，即熱空氣帶入房間的熱量計算公式為：

式（1）中：Q為熱流量，kW；V為空氣體積流量，L/s；ρ為空氣的平均密度，kg/m3；c為空氣的平均比熱，J/（kg·℃）；t1，t2為空氣的進口、出口溫度，℃。

通過對式（1）的分析可知，進入系統中的空氣將源源不斷地吸收太陽能而被加熱，最終提高房間空氣的整體溫度水平。而被加熱的空氣帶入房間的熱量主要取決于空氣體積流量V和空氣出、進口的溫差t2－t1，而空氣的平均密度ρ、比熱c對房間的熱量影響比較小。

4.2 空氣吸熱量的影響因素

4.2.1 空氣的溫升

系統內空氣的溫升，即空氣出、進口的溫差t2－t1主要取決于真空玻璃管的面積。當單根真空玻璃管的直徑和長度一定時，空氣的溫升主要取決于所布置真空玻璃管的數量。真空玻璃管的數量越多，空氣被加熱的溫度越高，從而使得循環熱空氣帶入房間的熱量越多。

4.2.2 空氣的流量

空氣體積流量V主要取決于真空玻璃管的直徑和空氣在管內的流速。當真空玻璃管的結構尺寸確定后，空氣的體積流量V主要取決于真空玻璃管內空氣的流速。而空氣流速主要取決于對管內熱空氣的推動力，即真空玻璃管內、外的壓力差，也就是真空玻璃管內、外空氣的密度差以及空氣進出口的高度差H，如圖2所示，即真空玻璃管的壓差Δp。壓差的計算公式為：

式（2）中：Δp為真空玻璃管進、出口的壓差，Pa；ρ1為空氣進口密度，近似為房間空氣的平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為出口管與進口管的高度差，m。

綜上所述，當真空玻璃管的結構尺寸確定后，影響空氣吸熱量的主要是真空玻璃管的數量、內外空氣的密度差和空氣進出口的高度差。而內外空氣的密度差主要取決于管內空氣被加熱的程度，即加熱面積或者說是真空玻璃管的數量。當真空玻璃管豎向排列且間距一定時，空氣進出口的高度差也主要取決于真空玻璃管的數量。由此可見，影響空氣吸熱量的主要因素是真空玻璃管的數量。

4.3 擋板的溫控功能分析

當圖2所示的太陽能室內空氣循環加熱器系統的進、出口為敞開的時，如果真空玻璃管的數量較少或太陽光照較弱，會出現進入房間的熱空氣溫度較低的情況。為了避免這種情況的發生，在系統的出口管上安裝了一個擋板，即只有當系統內的空氣被加熱到一定溫度時，熱空氣推開擋板進入房間內，否則，擋板會關閉。

下面對擋板開啟時的受力情況進行分析。如圖3所示，擋板為一個帶支點的圓形蓋板。假設擋板的質量為G，熱空氣出口管的內徑為d，當擋板被熱空氣推開的角度為θ時，熱空氣通過間隙源源不斷進入房間內，此時熱空氣的推動力F與擋板的重力分力G1相平衡，即：

從式（3）中可以看出，當系統結構確定后，即H、d不變，如果空氣進口密度（房間空氣的平均密度）近似為定值時，系統出口的空氣密度ρ主要取決于空氣的溫度，熱空氣溫度越高，密度越小，形成的推動力越大。這樣，可以通過調整擋板的質量達到控制進入房間熱空氣溫度的目的。

圖2 系統技術分析圖

圖3 溫度控制擋板受力分析圖

5 結論及下一步工作計劃

通過以上對太陽能室內空氣循環加熱器的結構設計，以及從技術理論可行性方面對其的分析，可以得到以下結論：①從技術與理論的角度進行分析，太陽能室內空氣循環加熱器系統是可行的，可以達到對室內空氣進行循環加熱的目的。②真空玻璃管內填充的蓄熱材料吸收太陽能后，既可以加熱空氣，又可以緩解短時由于太陽光照不足而對熱空氣出口溫度造成的影響。③當真空玻璃管數量不足，熱空氣出口溫度達不到要求時，可以在系統出口處安裝溫度控制擋板，以提高熱空氣的出口溫度。④通過對溫度控制擋板的受力分析可知，溫度控制擋板可以提高進入房間的熱空氣溫度，且擋板的質量與熱空氣出口溫度有一定的對應關系。⑤該裝置可應用于我國冬季室內溫度較低且無供暖設施的地區，以及北方冬季寒冷地區供暖前后的過渡期和供暖期溫度較低的住戶。這個裝置可以有效利用清潔的太陽能源，減少對化石燃料的消耗。總之，從結構和技術理論的角度分析看，太陽能室內空氣循環加熱器是可行的。作為該系統中的核心部件——雙開口玻璃真空管的生產及加工技術已經很成熟了。通過前期的市場調研發現，市場上銷售的產品規格有幾種可供選擇，目前已購置了10支外徑Φ58 mm、長度L＝1 860 mm的鍍藍膜雙開口真空玻璃管，如圖4所示。

圖4 雙開口真空玻璃管（其中3支）

下一步工作計劃主要有：①購置用于真空玻璃管安裝固定的相關附件和材料，按照結構尺寸加工、組裝加熱器系統的框架；②選擇、購置相關材料制作系統進出口管和連接管，收集或購買蓄熱材料；③太陽能室內空氣循環加熱器系統的整體安裝與調試；④進行太陽能室內空氣循環加熱器系統熱性能相關參數的測試、計算和分析等工作；⑤制作、安裝溫度控制擋板，并進行溫度控制擋板質量的調整。

參考文獻：

［1］劉鑒民.太陽能利用原理、技術、工程［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］錢伯章.太陽能技術與應用［M］.北京：科學出版社，2010.

［3］郭永葆.太陽能集熱技術概述［J］.科技情報開發與經濟，2001，11（5）：42-43.

［4］羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［5］張春陽.太陽能熱利用技術［M］.杭州：浙江科技出版社，2007.

［6］范海燕，遲炳章.太陽能集熱器及其適用性淺析［J］.青島理工大學學報，2009，30（3）：118-121.

［7］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，2010.