太阳能空气采暖系统运行控制方法的实验研究

林楠 刘安琪 王婉婷 赵旖晗

摘 要：以太阳能实验房中空气采暖系统为研究对象，通过实验探究太阳能空气采暖系统在不同控制工况下对室内温度湿度的影响对比及对不同时段下室内温度场的具体分布进行分析，得出变风量工况下室内供暖效果优于间歇式工况及恒流量工况，为合理设计控制方法使达到最佳采暖效果提供参考。

关键词：太阳能空气采暖系统 控制方法 室内温度场

0 引言

太阳能空气集热器的研究历史可以追溯到20世纪70年代，是一种通过集热板将太阳辐射热量收集起来使集热器内部空气升温的设备[1]。近20年来太阳能空气集热器在北方农村地区（辽宁，甘肃等地）得到了一定程度的应用推广[2]，其相比于暖气空调等传统供暖方式其具有减少煤的使用量降低一次二次能源消耗的优点。

本文以壁挂式太阳能空气集热器为研究对象，通过实验分析了不同控制方式下室内温度场的具体分布情况，室内平均温度湿度对比并给出了控制建议。

1 实验概述

1.1 实验对象及测点布置

本次实验对象是大连理工大学综合实验三号楼顶楼太阳能实验二号房，实验房尺寸为2.8m×2.6m×2.45m，南墙有太阳能空气集热器两排，风机两组，上下风口各两个。

测点布置实图如图1所示，室内有55个温度测点和一个湿度测点，温度测点布置如图4，6个高度面分别距地高100mm，450mm，100mm，1500mm，1850mm，2350mm，每个高度面上测点分布如图。

图1测点布置实图 图2平面测点

1.2实验方法及工况

本次研究的实验工况选择是参考前人研究的经验工况同时根据当天室外气温进行设定。对室外气温测量数据为12月7日：-9℃～-7℃，12月15日：-5℃～-2℃，12月16日：-6℃～-4℃，12月17日：-8℃～-5℃ 。在2012年12月7日，15日，16日，17日9：00-16：00分别进行了变流量工况，恒流量工况，间歇式工况，变流量工况运行实验，具体实验工况如下表1所示。

表1 实验工况

实验时间 实验工况 实验说明

12.7 变风量工况 每1小时改变一次，9点-16点，档位由2档—5档—2档变化

12.15 恒流量工况 风机档位4恒流量全天运行

12.16 间歇式工况 以档位3间歇运行，每开45分钟关闭15分钟

12.17 变风量工况 每1小时改变一次，9点-16点，档位由2档—5档—2档变化

2.不同工况下室内温度场分析

本实验探究不同工况下太阳能采暖系统对室内温度场的具体影响，实验选取下午13：00（太阳辐射照度较强时）及下午16：00（太阳辐射照度较弱时）对四天工况进行分析。

通过下午13：00室内温度场分布分析可以看出由于太阳能空气采暖系统上风口输送热风下风口回冷风的特点，整个室内温度场上部分整体温度较高，下部分室内温度较低。同时本次实验也进行了房间温度切片分析，更具体探究集热器出口温度的不同。通过室内温度切片图可以清晰看出12月7日集热器出口温度最高可达38.74℃，12月15日集热器出口温度仅为10.58℃，且靠近墙面一侧温度很低，冷感明显。

对下午16：00也进行了同样分析。下午16：00室外太阳辐射照度较低，集热器热量明显降低，可以看出变风量工况及间歇式工况下仍能使室内温度场保持一个较为稳定的状态，室内温度约为12℃，间歇式工况及恒流量工况下室内温度不均匀平均温度仅为4.5℃，尤其是15日靠近墙面处温度十分低。下午16：00太阳辐射照度较低，集热器出口温度整体低于13：00，其中变风量情况下集热器出口温度最高可为19.53℃，而恒流量情况下集热器出口温度仅为4.54℃，由切片图可以看出恒流量工况下室内冷区占大部分，此时太阳能采暖系统的使用效果十分不好。

3 结论

通过对太阳能采暖系统不同控制策略的实验探究，根据实验结果分析可以得出以下结论：

1）三种工况比对分析变风量运行间歇式运行室内温度场分布较均匀，平均温度在15℃左右，内平均温度仅为6℃。

2）变风量运行相比间歇式集热器出口温度较高，最高可达38.74℃，房间内温度整体高且稳定。

3）间歇式工况及恒流量工况下室内温度低，湿度较高，最高可达60%，给人冷湿感觉。

4）三种运行工况性能高低分析，变风量工况>间歇式工况>恒流量工况。

根据以上结论对太阳能采暖系统的控制方式有以下建议：

1）控制方式选取变风量工况效果较佳，当室外温度较低时也可采用间歇式工况运行，但风机流速应选择低档位，在室外太阳辐射照度稳定时也可选用恒流量工况，但不宜全天运行。

2）在选择变风量工况时，在早上及傍晚太阳辐射照度较低时宜采用低档位风机，在中午太阳辐射照度较大时宜采用高档位风机，使其输入室内质量流率尽可能最大。

参考文献：

[1]高文峰 ，太阳能空气集热器研究进展.新能源.1995，17：1-8

[2]陈滨，壁挂式太阳能空气集热器最佳供暖方式研究，暖通空调， 2008，38（10）

[3]李平，太阳能空气集热器中蜂窝结构的试验比研究，节能技术，2008，126（147）

[4]M. Kovarik， P.F. Lesse， Optimal control of flow in low temperature solar heat collectors， Solar Energy 18 （5） （1976） 431–435.