太陽能室內空氣循環加熱器性能實驗研究

商镕麒，苗 琦

（東北師范大學附屬中學，吉林 長春 130021）

隨著科技的發展和環境壓力的增加，新型及清潔能源將可能逐步替代不可再生資源，太陽能利用也將在能源利用中占一定的主導地位。從長遠角度來看，太陽能是人類必須利用的一種清潔能源。地球每年可接收來自太陽的能量約為1.5×1018kW·h，是全世界每年消耗總能量的數萬倍，而我國又蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能很可能就是我國未來的主體能源。太陽能以其儲量的“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性以及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，是人類目前以及將來比較理想的清潔能源。

我國太陽能開發利用有其成功之處，但也存在諸多問題和不足。作為我國發展較為成熟的太陽能熱利用技術，盡管在同類技術、市場上都處于世界領先地位，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情況卻很少。

本文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設計了一種太陽能室內空氣循環加熱器，并通過實驗分析其性能，以期為太陽能室內空氣循環加熱器結構改進及綜合性能的完善提供實驗依據。

1 系統結構及工作原理

太陽能室內空氣循環加熱器系統結構如圖1所示，主要由出風管、真空玻璃管、連接管、進風管、蓄熱材料等部分組成。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。

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，加之內玻璃管壁面具有的選擇性吸收涂層，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

2 實驗系統及實驗方法

2.1 實驗系統組成

實驗系統由太陽能室內空氣循環加熱器主體、測溫裝置、測速裝置、光照強度測試儀等組成，見圖2和圖3.其中，測溫、測速點布置在主體的進、出口位置；光照強度測試儀為手持式，按照實驗測試間隔時間實時測量太陽光照強度。

2.2 實驗研究方法

本次實驗考慮到太陽能室內空氣循環加熱器放置室外固定的難度以及測試不是很方便等因素，所以，實驗最終決定是在室內進行。實驗選擇了2018-02相對較好的天氣條件，考慮到太陽光照強度隨時變化，實驗過程中在測得空氣進出口溫度及速度的同時，對光照強度也進行了同步測量，測量間隔為1 min，具體實驗方法如下：①真空玻璃管內不放置蓄熱材料時，進行60 min測試。其中，前40 min為光照條件下空氣升溫至穩定過程階段；后20 min為遮擋陽光條件下空氣降溫過程。②真空玻璃管內放置蓄熱材料時，進行60 min測試。其中，前40 min為光照條件下空氣升溫至穩定過程階段，后20 min為遮擋陽光條件下空氣降溫過程。③在光照條件下，對有無蓄熱材料時，空氣升溫及吸收熱量進行對比分析。④在無光照條件下，對有無蓄熱材料時，空氣降溫情況進行對比分析。⑤針對實驗研究過程中發現的問題，對太陽能室內空氣循環加熱器實驗裝置進行改進和完善。真空玻璃管內的蓄熱材料（鵝卵石）如圖4所示。

圖2 太陽能室內空氣循環加熱器實驗系統示意圖

圖3 太陽能室內空氣循環加熱器實驗系統實物圖

圖4 真空玻璃管內的蓄熱材料（鵝卵石）

3 實驗結果分析

3.1 光照條件下空氣吸熱量的對比

玻璃真空管內空氣的吸熱量，即熱空氣帶入房間的熱量：

式（1）中：Q為熱流量，W；v為空氣平均流速，m/s；S為測試段空氣流通面積，m2；ρ為空氣的平均密度，kg/m3；c為空氣的平均比熱，J/（kg·℃）；t1和t2為空氣的進口和出口溫度，℃。

太陽能室內空氣循環加熱器有蓄熱材料和無蓄熱材料時，在實時光照強度作用下，光照強度隨時間變化情況如圖5所示，空氣吸熱量隨時間變化如圖6所示。

圖5 光照強度隨時間變化情況

圖6 空氣吸熱量隨時間變化情況

圖7 空氣出口溫度隨時間變化情況

圖8 空氣吸熱量隨時間變化情況

從圖5和圖6中可以看出，在實時光照強度的作用下，空氣的吸熱量總體上隨著光照的變化而變化，無蓄熱材料時的空氣吸熱量大于有蓄熱材料時的空氣吸熱量。主要原因可能是本身有蓄熱材料時的光照水平低于無蓄熱材料時的，另外，可能是由于實驗時間相對較短，空氣的溫度與蓄熱材料的溫度沒有達到平衡，實驗過程中蓄熱材料仍處于吸收熱量的狀態。

3.2 蓄熱材料作用分析

為了驗證蓄熱材料對緩解空氣出口溫度的影響，在實驗過程中，對于有蓄熱材料和無蓄熱材料時的太陽能室內空氣循環加熱器，當各自實驗過程進行40 min后，通過人為遮擋太陽光的形式，空氣出口溫度隨時間變化情況如圖7所示，空氣吸熱量隨時間變化情況如圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，當太陽光被人為遮擋以后，經過20 min，無蓄熱材料時的太陽能室內空氣循環加熱器出口空氣溫度及空氣吸熱量降低得很快；而有蓄熱材料時的太陽能室內空氣循環加熱器出口空氣溫度及空氣吸熱量幾乎沒有降低。這說明當無光照時，無蓄熱材料的太陽能室內空氣循環加熱器內由于得不到太陽能的供給，出口空氣溫度很快就降低了；而有蓄熱材料時的太陽能室內空氣循環加熱器，此時盡管沒有太陽能的供給，但已吸收太陽能的蓄熱材料會釋放儲存的熱量對空氣進行加熱，從而使得出口空氣溫度及吸熱量降低得很少。可見，太陽能室內空氣循環加熱器內填充蓄熱材料可有效緩解由于短時間太陽能供給不足時，對空氣出口溫度的影響。

4 結論

通過以上對太陽能室內空氣循環加熱器性能進行實驗研究，得到以下結論：從對實驗結果分析可知，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；真空玻璃管內填充的蓄熱材料，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；實驗研究是將裝置放在室內進行的，如放在室外效果會更好，因為在同樣的情況下，室外光照強度約為室內的1.5～2倍；增加真空玻璃管的數量，同時也提高了進出口位置的高度，這樣對空氣加熱的效果會更加明顯；通過實驗分析太陽能室內空氣循環加熱器性能達到了預期的效果，下一步將對其結構及綜合性能進行進一步完善。