商镕麒，苗 琦

（東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，吉林 長春 130021）

隨著科技的發(fā)展和環(huán)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(dǎo)地位。從長遠(yuǎn)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(shù)萬倍，而我國又蘊(yùn)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(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，使其利用成為解決能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)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(fā)利用有其成功之處，但也存在諸多問題和不足。作為我國發(fā)展較為成熟的太陽能熱利用技術(shù)，盡管在同類技術(shù)、市場上都處于世界領(lǐng)先地位，但是太陽能熱利用主要集中在傳統(tǒng)的熱水器和熱發(fā)電方面，而分散式的用于太陽能加熱室內(nèi)空氣情況卻很少。

本文針對我國冬季室內(nèi)溫度較低且無供暖設(shè)施的廣大地區(qū)，以及北方冬季寒冷地區(qū)供暖前后的過渡期和供暖期溫度較低的住戶設(shè)計(jì)了一種太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器，并通過實(shí)驗(yàn)分析其性能，以期為太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及綜合性能的完善提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由出風(fēng)管、真空玻璃管、連接管、進(jìn)風(fēng)管、蓄熱材料等部分組成。該系統(tǒng)可以垂直布置于墻室外面上，也可以放置在樓房的陽臺內(nèi)，整個裝置可以傾斜一定的角度，這樣既可以增加其穩(wěn)定性，也有利于對太陽能的有效吸收。

當(dāng)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(diǎn)，即從太陽來的短波（高溫輻射）熱射線比較容易進(jìn)入到管內(nèi)，而管內(nèi)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(nèi)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(jìn)入到玻璃管內(nèi)被吸收。而雙層玻璃管的真空結(jié)構(gòu)阻止了內(nèi)部熱空氣以導(dǎo)熱和對流換熱的形式向外界散熱，從而達(dá)到高效集熱的目的。

圖1 太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器主體、測溫裝置、測速裝置、光照強(qiáng)度測試儀等組成，見圖2和圖3.其中，測溫、測速點(diǎn)布置在主體的進(jìn)、出口位置；光照強(qiáng)度測試儀為手持式，按照實(shí)驗(yàn)測試間隔時間實(shí)時測量太陽光照強(qiáng)度。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究方法

本次實(shí)驗(yàn)考慮到太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)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(shí)驗(yàn)最終決定是在室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)選擇了2018-02相對較好的天氣條件，考慮到太陽光照強(qiáng)度隨時變化，實(shí)驗(yàn)過程中在測得空氣進(jìn)出口溫度及速度的同時，對光照強(qiáng)度也進(jìn)行了同步測量，測量間隔為1 min，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：①真空玻璃管內(nèi)不放置蓄熱材料時，進(jìn)行60 min測試。其中，前40 min為光照條件下空氣升溫至穩(wěn)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(nèi)放置蓄熱材料時，進(jìn)行60 min測試。其中，前40 min為光照條件下空氣升溫至穩(wěn)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(jìn)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(jìn)行對比分析。⑤針對實(shí)驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，對太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)和完善。真空玻璃管內(nèi)的蓄熱材料（鵝卵石）如圖4所示。

圖2 太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3 太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖4 真空玻璃管內(nèi)的蓄熱材料（鵝卵石）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 光照條件下空氣吸熱量的對比

玻璃真空管內(nèi)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(jìn)口和出口溫度，℃。

太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器有蓄熱材料和無蓄熱材料時，在實(shí)時光照強(qiáng)度作用下，光照強(qiáng)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(qiáng)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(shí)時光照強(qiáng)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(shí)驗(yàn)時間相對較短，空氣的溫度與蓄熱材料的溫度沒有達(dá)到平衡，實(shí)驗(yàn)過程中蓄熱材料仍處于吸收熱量的狀態(tài)。

3.2 蓄熱材料作用分析

為了驗(yàn)證蓄熱材料對緩解空氣出口溫度的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中，對于有蓄熱材料和無蓄熱材料時的太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器，當(dāng)各自實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)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(dāng)太陽光被人為遮擋以后，經(jīng)過20 min，無蓄熱材料時的太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)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(nèi)空氣循環(huán)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(dāng)無光照時，無蓄熱材料的太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器內(nèi)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(nèi)空氣循環(huán)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(jìn)行加熱，從而使得出口空氣溫度及吸熱量降低得很少?？梢?，太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器內(nèi)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(jié)論

通過以上對太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：從對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器系統(tǒng)是可行的，可以達(dá)到對室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)加熱的目的；真空玻璃管內(nèi)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(shí)驗(yàn)研究是將裝置放在室內(nèi)進(jìn)行的，如放在室外效果會更好，因?yàn)樵谕瑯拥那闆r下，室外光照強(qiáng)度約為室內(nèi)的1.5～2倍；增加真空玻璃管的數(shù)量，同時也提高了進(jìn)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(shí)驗(yàn)分析太陽能室內(nèi)空氣循環(huán)加熱器性能達(dá)到了預(yù)期的效果，下一步將對其結(jié)構(gòu)及綜合性能進(jìn)行進(jìn)一步完善。