太阳能蓄热空气罐供暖系统实验研究

赵 琰， 苑中显， 文 鑫

（北京工业大学 环境与能源工程学院， 北京 100124）

0 引言

太阳能集热采暖系统能够高效的利用太阳能， 具体可分为太阳能空气集热式采暖系统和太阳能热水集热式采暖系统。其中，太阳能空气集热式采暖系统利用太阳能空气集热器对空气进行加热，然后利用风机将热空气送入室内，以达到供暖的目的。 太阳能空气集热式采暖系统具有抗冻性能好、无结垢和不腐蚀等优点[1]，[2]。

太阳能空气集热器为太阳能空气集热式采暖系统的核心部件， 受到国内外学者的广泛研究。Jebasingh 对太阳能抛物槽式空气集热器的各项性能进行了分析，分析结果表明，选择合适的吸收器材料、 涂层以及工作流体可以获得较高的热效率[3]。 王佩明通过研究发现，内插管式全玻璃真空管太阳能空气集热器具有较好的集热性能， 当管内流量为60 m3/h 时，该集热器的集热效率能够达到0.62[4]。 刘思宇设计出了一种采用双层中空玻璃盖板且吸热板表面镀有蓝钛膜的太阳能平板式空气集热器[5]。 王亮设计出了一种折形折流板式集热器，通过分析发现，增加折形折流板厚，可以增大集热面积， 增强空气在流道内的扰流和换热效果[6]。

针对进入采光口的太阳光线是否改变方向，可以将太阳能空气集热器分为聚光型太阳能空气集热器和非聚光型太阳能空气集热器[7]。 其中，聚光型太阳能空气集热器能够将太阳光汇聚在面积较小的吸热面上，以获得较高的温度，但该类集热器只能利用直射太阳辐射能， 并且须要跟踪太阳的运行轨迹[8]。 小型菲涅尔透镜式太阳能蓄热空气罐是一种聚光型太阳能空气集热器。目前，将小型菲涅尔透镜式太阳能蓄热空气罐应用于冬季供暖的相关研究较少。

本文利用空气罐和菲涅尔透镜以及自动跟踪控制系统， 设计出了一种带有小型菲涅尔透镜式太阳能蓄热空气罐的太阳能蓄热空气罐供暖系统，该系统能够对空气进行循环加热，以期达到利用该系统进行冬季供暖的目的。 本文通过实验测试了太阳能集热器的集热效率、太阳辐射强度、外界环境温度以及通风管出口温度， 并根据测试结果对太阳能蓄热空气罐供暖系统的各项性能进行分析。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验系统

太阳能蓄热空气罐供暖系统的结构如图1 所示。

由图1 可知， 太阳能蓄热空气罐供暖系统主要由菲涅尔透镜、石英玻璃窗、空气罐、鼓风机及风管组成。 该系统放置于北京工业大学校内（39.87°N，116.38°E），供暖实验时间为2018 年12月1 日-2019 年1 月15 日。太阳能蓄热空气罐供暖系统中的菲涅尔透镜为点聚焦菲涅尔透镜。 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料为菲涅尔透镜的常用材料，具有体积小、质量轻，现已应用于太阳能聚光集热系统中。 此外，PMMA 的折射率为1.49，与玻璃十分接近，具有良好的光学性能，因此，本文的太阳能蓄热空气罐供暖系统选用了以PMMA 为材料的菲涅尔透镜。

图1 太阳能蓄热空气罐供暖系统的结构图Fig.1 Structure diagram of solar thermal storage air tank heating system

1.2 实验系统原理与参数

太阳能蓄热空气罐供暖系统中的石英玻璃窗对可见光波长具有较高的透射率， 并且能够有效减少吸热管与环境之间的对流换热损失。 吸热管的材质为碳钢，可将聚集后的太阳光转化为热能，使自身温度升高，进而加热空气罐内的空气，吸热管一端开口，另一端封闭，封闭端呈半球形，这样能够更好地吸收太阳辐射能。空气罐外有保温棉，防止罐内空气热量向外散失。 通风盘管直接焊接在空气罐上，一端呈螺旋状，这样有利于与罐内空气进行换热；另一端通过风管与鼓风机相连接，使空气在管内不断流动， 以带走罐内空气热量。 此外， 由于本文的实验装置是由夏季菲涅尔透镜式太阳能热机实验台改装而成，因此，实验过程中密闭空气罐内的空气压力会逐渐升高， 为了防止压力过高，空气罐底部设置了通气管，该通气管上安装了通气阀门。

太阳能蓄热空气罐供暖系统主要部件的结构参数如表1 所示。

表1 太阳能蓄热空气罐供暖系统主要部件的结构参数Table 1 Structural parameters of main components of solar thermal storage air tank heating system

连接鼓风机和通风盘管的风管为圆形截面橡胶软管，这样可以保证在自动跟踪控制运行时，菲涅尔透镜和空气罐的转动不会对风管产生扭转、拉伸等破坏。依照通风盘管端部尺寸，选用内径为13 mm 的风管。吸热管内空气流量ma的计算式为

式中：ρg为空气密度，取1.165kg/m3；Q 为鼓风机流量。

鼓风机、风管的相关参数见表2。

表2 鼓风机、风管的相关参数Table 2 Related parameters of blower and air duct

实验过程中采用DRT2-2 型太阳辐射表测量太阳直接辐射强度，测试精度为±2%；采用K 型热电偶测量温度，测量误差低于0.5 ℃。 实验过程中所测量的数据均通过Agilent34970A 多通道数据采集仪进行实时记录。 太阳能蓄热空气罐供暖系统利用自动跟踪系统自动调整自身的太阳高度角和水平方位角， 以实现对太阳光线的双轴自动追踪。

1.3 实验方法

实验期间天气晴朗， 忽略风速对太阳能蓄热空气罐供暖系统运行情况的影响。实验过程：太阳光经过菲涅尔透镜聚焦后， 透过入光窗口到达吸热管内壁面，在吸热管内多次反射并吸收后，转化为热能，使得吸热管温度持续升高；空气在密闭空气罐内与吸热管进行换热， 空气温度和压力均逐渐升高； 空气罐内的高温空气与通风盘管进行对流换热，通风盘管与鼓风机相连接，在鼓风机的作用下， 通风盘管的热量能够不断地传递到外界环境中。当空气罐压力高于一定值（空气罐内空气的终压）时，对菲涅尔透镜进行遮光处理，然后打开空气罐底部的阀门，放出空气罐内的高压气体；当空气罐压力低于当地大气压力时， 关闭空气罐底部的阀门，并取下遮光板，在此过程中，鼓风机持续工作，以此来释放空气罐内空气的余热，达到冷却目的；当空气罐压力低于到一定值时，打开空气罐底部的阀门，空气罐吸收外界空气，当空气罐压力达到当地大气压力时，关闭空气罐底部的阀门。在此过程中，鼓风机始终在运行，以保证整个供暖系统持续工作。

2 数据整理方法

通过实验测量并记录通风管进口温度T7（t）（近似认为T7（t）等于环境温度）和出口温度T6（t），通风管内空气得热量（通风管集热量）Qc（t）的计算式为

式中：cp为空气定压比热容，取1.005 6 kJ/（kg·K）。

菲涅尔透镜接收到的理论瞬时太阳辐射量Qm（t）的计算式为

式中：A 为菲涅尔透镜的面积，取0.81 m2；IB（t）为太阳直接辐射强度，W/m2。

太阳能蓄热空气罐供暖系统的聚光效率为

式中：η1为菲涅尔透镜的透光率， 取0.9；η2为石英玻璃的透光率， 取0.9；β1为菲涅尔透镜的加工误差， 取0.94；β2为菲涅尔透镜的安装误差，取0.93；αt为吸热管内表面的吸收率，取0.8。

式（4）中各参数取值均通过测量得到。 最后，通过计算得到ηc=0.566 5。

太阳能蓄热空气罐供暖系统接收到的瞬时太阳辐射量Qs（t）为

式中：t1，t2分别为实验开始时间、结束时间。

3 结果与讨论

实验时间为2018 年12 月7 日、12 月18 日和12 月26 日的12：00-15：00， 环境温度为-10～12 ℃， 正午太阳直接辐射强度均在550 W/m2以上。 由上文中的实验方法可知，每次循环时，空气罐内空气的初始压力值均相同， 均为0.098 9 MPa。 为了进行对比分析，对于不同测试日，空气罐循环运行时， 所设定的空气罐最终压力均不相同，12 月7 日为0.113 MPa，12 月18 日为0.116 MPa，12 月26 日为0.12 MPa。 在上述实验时 间内， 选取不同环境温度和太阳直接辐射强度条件下，通风管进、出口温度及其他各测点温度的实验结果， 计算出太阳能蓄热空气罐集热器的集热效率。

3.1 通风管出风口温度变化

各测试日，太阳辐射强度IB随时间的变化情况如图2 所示。

图2 各测试日太阳辐射强度随时间的变化情况Fig.2 Variation with time of the solar radiation intensity in each test day

由图2 可知， 各测试日的太阳辐射强度整体上均逐渐降低。此外，不同测试日太阳辐射强度不同，且存在较大波动，这是由于太阳辐射强度受环境因素影响较大，云层、雾霾都会导致太阳辐射强度出现较大幅度的波动。

各测试日，环境温度T7随时间的变化情况如图3 所示。

图3 各测试日环境温度随时间的变化情况Fig.3 Variation with time of the ambient temperature in each test day

由图3 可知， 各测试日的环境温度会在一定的范围内波动。

由图2，3 可知，与12 月7 日和12 月26 日相比，12 月18 日太阳辐射强度和环境温度的波动幅度较大，这是由于12 月18 日偶有云层飘过，因此， 太阳辐射强度和环境温度的测量结果均会出现较大幅度的波动， 这也说明环境因素对实验结果影响较大。由图2，3 还可看出，对于这3 个测试日，12 月18 日太阳辐射强度最高，12 月26 日太阳辐射强度最低；12 月7 日环境温度最高，12 月

26 日环境温度最低。

各测试日， 通风管出口温度随时间的变化情况如图4 所示。

图4 各测试日通风管出口温度随时间的变化情况Fig.4 Variation with time of the outlet air temperature of the ventilation duct in each test day

由图4 可知，12 月26 日13：13 之前，通风管出口温度整体上较高；12 月7 日13：13 之前，通风管出口温度整体上较低， 这是由于各测试日的13：13 之前为太阳能蓄热空气罐供暖系统的初始运行阶段（以下简称为初始运行阶段），该阶段，空气罐内空气的终压越高， 空气罐内空气的温度也越高，而空气罐内空气的温度越高，罐内空气与螺旋盘管内流动空气之间的温度差越大， 则空气罐内热空气与通风管内空气之间的换热强度也就越大， 这表明空气罐内空气的终压为初始运行阶段通风管出口温度的主要影响因素，由上文可知，12月26 日空气罐的最终压力较高，为0.12 MPa，12月7 日空气罐的最终压力较低，为0.113 MPa，因此，12 月26 日初始运行阶段，通风管出口温度整体上较高；12 月7 日初始运行阶段， 通风管出口温度整体上较低。 由图4 还可看出，12 月18 日13：13 以后， 通风管出口温度较高；12 月26 日13：13 以后，通风管出口温度较低，这是由于各测试日的13：13 以后为太阳能蓄热空气罐供暖系统的正常运行阶段（以下简称为正常运行阶段），在该阶段，太阳辐射强度越高，经聚光后，空气罐内空气的温度就越高， 空气罐内热空气与通风管内空气之间的换热强度也就越强， 这表明在太阳辐射强度为正常运行阶段通风管出口温度的主要影响因素，由上文可知，12 月18 日太阳辐射强度较高，12 月26 日太阳辐射强度较低，因此，正常运行阶段，12 月18 日通风管出口温度整体上较高，12 月26 日通风管出口温度整体上较低。

2018 年12 月7 日， 实验系统各温度测点测量结果随时间的变化情况如图5 所示。 图中：T1为吸热管下侧温度；T2为吸热管上侧温度；T3为罐壁温度；T4为罐内空气温度；T5为法兰温度；T6为通风管出口温度；T7为环境温度。

图5 2018 年12 月7 日实验系统各温度测点的测量结果随时间的变化情况Fig.5 Changes in the measurement results of the temperature measurement points of the experimental system over time on December 7， 2018

由图5 可知， 实验系统中各测点温度整体上由高到低依次为T2＞T1＞T4＞T5＞T6＞T3＞T7，这表明经菲涅尔透镜聚光加热后， 从吸热管至空气罐出口处空气温度逐渐降低， 符合空气罐内热量的传递规律，即吸热管吸收太阳辐射能后，将转化的热量传递给空气罐内的空气， 然后空气罐内的空气将热量传递给螺旋盘管内的空气。 2018 年12 月7日12：22-12：46，13：12-13：29 和13：42-14：02，T1～T4迅速降低，这是由于空气阀门开启后，空气罐向外放气， 并且还对太阳能蓄热空气罐供暖系统进行遮光处理， 从而导致吸热管和空气罐温度迅速降低。 此外，在上述3 个时间段，通风管出口温度略有下降，这是由于在上述时间段内，尽管空气罐内的空气仍有余热， 但放气过程以及遮光过程对于太阳能蓄热空气罐供暖系统的运行仍会造成一定程度的影响。

由图5 还可看出，实验开始与结束时，法兰的温度差约为50 ℃， 表明法兰也会吸收一部分热量，从而影响整个系统的供热量。 另外，冬季较低的外界环境温度也会影响整个系统的供热量。 此外，测试时间段内，空气罐内空气的温度整体上较高，但通风管出口温度的变化逐渐趋于平缓，这是由于空气罐的吸放热能力已经达到了极限。 在以后的设计中，要尽可能减小法兰尺寸，并改变空气罐内部的传热方式。

3.2 太阳能供暖系统的集热效率

图6 为不同测试日，太阳能蓄热空气罐供暖系统供热效率随时间的变化情况。

图6 不同测试日，太阳能蓄热空气罐供暖系统供热效率随时间的变化情况Fig.6 Changes in the heating efficiency of the solar thermal storage air tank heating system over time on different test days

由图6 可知，不同测试日，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率变化曲线不断地发生波动，这是由于雾霾、云量对太阳辐射强度的影响，以及风力对通风管进、 出口温度和通风管热损失的影响。 此外，随着时间不断增加，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率整体上逐渐升高（存在小幅度的下降），并且不断地发生波动。在寒冷的冬季，约运行2 h 后（12：00-14：00），太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率的最大值约为60%， 因此，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率较高。

由 图6 还 可 看 出，12 月7 日 和12 月18 日12：02-13：03， 太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率较低；12 月26 日12：02-13：03，太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率较高， 这是由于该时间段（初始运行阶段），12 月7 日和12 月18 日空气罐内空气的温度较低， 太阳能蓄热空气罐供暖系统的大部分供热量被罐体和法兰所吸收；12月26 日空气罐内空气的温度较高，罐体和法兰吸收的热量较少；这3 个测试日13：03 以后，随着空气罐内空气温度逐渐升高， 太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率趋于一致。

2018 年11 月25 日-2019 年1 月18 日，系统日平均供热效率和太阳辐射强度最大值IB，max的变化情况见图7。

图7 2018 年11 月25 日-2019 年1 月18 日，系统日平均供热效率和太阳辐射强度最大值的变化情况Fig.7 From November 25， 2018 to January 18， 2019，changes in the system's daily average heating efficiency and maximum solar radiation intensity

由图7 可知，测试期间内，系统日平均供热效率和太阳辐射强度最大值的变化趋势大体相同。通过太阳辐射强度最大值和系统日平均供热效率的拟合曲线可以看出，2018 年12 月22 日前、后，太阳辐射强度最大值和系统日平均供热效率均较低，这是由于2018 年12 月22 日为冬至日，该日前、后的太阳照射时间较短，这也说明太阳辐射强度对于太阳能蓄热空气罐供暖系统的供暖效果有决定性的影响。 根据系统日平均供热效率拟合曲线可以得出，在冬季、晴朗天气条件下，北京地区系统日平均供热效率约为40%。

4 结论

本文利用空气罐、 菲涅尔透镜以及自动跟踪控制系统设计出了一种带有小型菲涅尔透镜式太阳能蓄热空气罐的太阳能蓄热空气罐供暖系统，该系统能够对空气进行循环加热， 以期达到利用该系统进行冬季供暖的目的。 本文通过实验测量了太阳能蓄热空气罐供暖系统的各项参数， 并根据测量结果对该系统的各项性能进行分析。 分析结果如下。

①太阳能蓄热空气罐供暖系统的供热效率较高，供热效率的最大值约为60%。

②在实验运行阶段， 空气罐内空气温度和太阳辐射强度均会对通风管出口温度产生一定程度的影响。

③空气罐和法兰的热损失较大， 使得太阳能蓄热空气罐供暖系统的吸、放热效果不太理想，进而影响该系统的供暖效果。