太阳能室内空气循环加热器性能实验研究

商镕麒，苗 琦

（东北师范大学附属中学，吉林 长春 130021）

随着科技的发展和环境压力的增加，新型及清洁能源将可能逐步替代不可再生资源，太阳能利用也将在能源利用中占一定的主导地位。从长远角度来看，太阳能是人类必须利用的一种清洁能源。地球每年可接收来自太阳的能量约为1.5×1018kW·h，是全世界每年消耗总能量的数万倍，而我国又蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能很可能就是我国未来的主体能源。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，使其利用成为解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类目前以及将来比较理想的清洁能源。

我国太阳能开发利用有其成功之处，但也存在诸多问题和不足。作为我国发展较为成熟的太阳能热利用技术，尽管在同类技术、市场上都处于世界领先地位，但是太阳能热利用主要集中在传统的热水器和热发电方面，而分散式的用于太阳能加热室内空气情况却很少。

本文针对我国冬季室内温度较低且无供暖设施的广大地区，以及北方冬季寒冷地区供暖前后的过渡期和供暖期温度较低的住户设计了一种太阳能室内空气循环加热器，并通过实验分析其性能，以期为太阳能室内空气循环加热器结构改进及综合性能的完善提供实验依据。

1 系统结构及工作原理

太阳能室内空气循环加热器系统结构如图1所示，主要由出风管、真空玻璃管、连接管、进风管、蓄热材料等部分组成。该系统可以垂直布置于墙室外面上，也可以放置在楼房的阳台内，整个装置可以倾斜一定的角度，这样既可以增加其稳定性，也有利于对太阳能的有效吸收。

当太阳光照射到真空玻璃管时，由于玻璃本身对热射线的透过具有选择性的特点，即从太阳来的短波（高温辐射）热射线比较容易进入到管内，而管内的长波（低温辐射）热射线却很难通过玻璃管辐射出去，加之内玻璃管壁面具有的选择性吸收涂层，使得太阳热射线更多地进入到玻璃管内被吸收。而双层玻璃管的真空结构阻止了内部热空气以导热和对流换热的形式向外界散热，从而达到高效集热的目的。

图1 太阳能室内空气循环加热器系统结构示意图

2 实验系统及实验方法

2.1 实验系统组成

实验系统由太阳能室内空气循环加热器主体、测温装置、测速装置、光照强度测试仪等组成，见图2和图3.其中，测温、测速点布置在主体的进、出口位置；光照强度测试仪为手持式，按照实验测试间隔时间实时测量太阳光照强度。

2.2 实验研究方法

本次实验考虑到太阳能室内空气循环加热器放置室外固定的难度以及测试不是很方便等因素，所以，实验最终决定是在室内进行。实验选择了2018-02相对较好的天气条件，考虑到太阳光照强度随时变化，实验过程中在测得空气进出口温度及速度的同时，对光照强度也进行了同步测量，测量间隔为1 min，具体实验方法如下：①真空玻璃管内不放置蓄热材料时，进行60 min测试。其中，前40 min为光照条件下空气升温至稳定过程阶段；后20 min为遮挡阳光条件下空气降温过程。②真空玻璃管内放置蓄热材料时，进行60 min测试。其中，前40 min为光照条件下空气升温至稳定过程阶段，后20 min为遮挡阳光条件下空气降温过程。③在光照条件下，对有无蓄热材料时，空气升温及吸收热量进行对比分析。④在无光照条件下，对有无蓄热材料时，空气降温情况进行对比分析。⑤针对实验研究过程中发现的问题，对太阳能室内空气循环加热器实验装置进行改进和完善。真空玻璃管内的蓄热材料（鹅卵石）如图4所示。

图2 太阳能室内空气循环加热器实验系统示意图

图3 太阳能室内空气循环加热器实验系统实物图

图4 真空玻璃管内的蓄热材料（鹅卵石）

3 实验结果分析

3.1 光照条件下空气吸热量的对比

玻璃真空管内空气的吸热量，即热空气带入房间的热量：

式（1）中：Q为热流量，W；v为空气平均流速，m/s；S为测试段空气流通面积，m2；ρ为空气的平均密度，kg/m3；c为空气的平均比热，J/（kg·℃）；t1和t2为空气的进口和出口温度，℃。

太阳能室内空气循环加热器有蓄热材料和无蓄热材料时，在实时光照强度作用下，光照强度随时间变化情况如图5所示，空气吸热量随时间变化如图6所示。

图5 光照强度随时间变化情况

图6 空气吸热量随时间变化情况

图7 空气出口温度随时间变化情况

图8 空气吸热量随时间变化情况

从图5和图6中可以看出，在实时光照强度的作用下，空气的吸热量总体上随着光照的变化而变化，无蓄热材料时的空气吸热量大于有蓄热材料时的空气吸热量。主要原因可能是本身有蓄热材料时的光照水平低于无蓄热材料时的，另外，可能是由于实验时间相对较短，空气的温度与蓄热材料的温度没有达到平衡，实验过程中蓄热材料仍处于吸收热量的状态。

3.2 蓄热材料作用分析

为了验证蓄热材料对缓解空气出口温度的影响，在实验过程中，对于有蓄热材料和无蓄热材料时的太阳能室内空气循环加热器，当各自实验过程进行40 min后，通过人为遮挡太阳光的形式，空气出口温度随时间变化情况如图7所示，空气吸热量随时间变化情况如图8所示。从图7和图8中可以看出，当太阳光被人为遮挡以后，经过20 min，无蓄热材料时的太阳能室内空气循环加热器出口空气温度及空气吸热量降低得很快；而有蓄热材料时的太阳能室内空气循环加热器出口空气温度及空气吸热量几乎没有降低。这说明当无光照时，无蓄热材料的太阳能室内空气循环加热器内由于得不到太阳能的供给，出口空气温度很快就降低了；而有蓄热材料时的太阳能室内空气循环加热器，此时尽管没有太阳能的供给，但已吸收太阳能的蓄热材料会释放储存的热量对空气进行加热，从而使得出口空气温度及吸热量降低得很少。可见，太阳能室内空气循环加热器内填充蓄热材料可有效缓解由于短时间太阳能供给不足时，对空气出口温度的影响。

4 结论

通过以上对太阳能室内空气循环加热器性能进行实验研究，得到以下结论：从对实验结果分析可知，太阳能室内空气循环加热器系统是可行的，可以达到对室内空气进行循环加热的目的；真空玻璃管内填充的蓄热材料，可以缓解短时由于太阳光照不足而对热空气出口温度造成的影响；实验研究是将装置放在室内进行的，如放在室外效果会更好，因为在同样的情况下，室外光照强度约为室内的1.5～2倍；增加真空玻璃管的数量，同时也提高了进出口位置的高度，这样对空气加热的效果会更加明显；通过实验分析太阳能室内空气循环加热器性能达到了预期的效果，下一步将对其结构及综合性能进行进一步完善。