太阳能室内空气循环加热器结构设计及可行性分析＊

商镕麒，苗 琦

（东北师范大学附属中学，吉林 长春 130021）

1 前言

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，在能源利用率不断提高的同时，人们的环境保护意识也逐步提高。对此，国家也提出了可持续的能源发展战略方针，越来越多的人将目光聚集到无污染的新型可再生资源上，而在这些可再生资源中，无论是从储存量，还是覆盖范围，太阳能都占据了重要的位置[1]。太阳能以储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性和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之一，是目前以及将来比较理想的清洁能源[2-3]。

我国太阳能开发利用有其成功之处，但也存在诸多问题。太阳能热利用技术作为我国发展较为成熟的技术之一，尽管在同类技术、市场上处于世界领先地位，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的却很少[4]。

这里所述的太阳能室内空气循环加热器是基于笔者前期所申请的实用新型专利。该专利主要是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。运用该装置，利用太阳能对室内空气进行循环加热，可以提高冬季室内空气温度，从而达到有效利用清洁的太阳能资源，减少对传统化石燃料的消耗的目的。本文通过对太阳能室内空气循环加热器结构的初步设计，针对系统结构、技术理论等方面的可行性进行了分析，为下一步实际的安装、调试、实验研究等工作的顺利进行做好充分的前期准备。

2 系统结构设计

太阳能室内空气循环加热器系统结构如图1所示，它主要由出风管、温度控制挡板、真空玻璃管、连接管、进风管和蓄热材料等部分组成[5]。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。太阳能室内空气循环加热器系统结构设计或安装过程可以参照以下步骤进行：①根据需要选用一定数量的双开口真空玻璃管，并按照一定的间距排列，用管卡固定在事先准备好的金属框架上；②在每根真空玻璃管内放入一定量的蓄热材料（显热蓄热材料即可），比如小鹅卵石、小岩石颗粒等，但要注意蓄热材料的量尽量不要超过真空玻璃管断面积1/2的空间区域；③用连接管将真空玻璃管首尾相连，连接管可以去市场选购或自己制作，但一定要选用保温性能好的材料；④根据需要选用出风管、进风管与加热器主体连接起来，出风管、进风管也一定要选用保温性能好的材料；⑤在出风管的出口处设计带有一个支点的简易挡板结构，挡板的质量可以根据实验测试具体确定。

3 系统工作原理

3.1 真空玻璃管的集热原理

太阳能室内空气循环加热器系统中的核心部件——双开口真空玻璃管，其结构由内玻璃管、太阳选择性吸收涂层、真空夹层和外玻璃管等部分组成。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[6]；再加上内玻璃管壁面的选择性吸收涂层，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

3.2 集热系统的工作原理

在太阳能室内空气循环加热器系统中，可以根据需要设置若干根装有蓄热材料的真空玻璃管，这些真空玻璃管水平放置、竖向排列、首尾相连，形成蛇形结构系统。当太阳光照射到真空玻璃管时，由于真空玻璃管的集热作用，使得进入管内的空气和蓄热材料被加热。进入管内的空气由于温度升高、密度降低，在蛇形真空玻璃管内、外空气密度差（压差）的作用下，管内热空气向上流动进入室内，如图1所示。为了控制进入室内热空气的温度，在管路的出风口处安装了温度控制挡板。当蛇形真空玻璃管内热空气温度不够高时，管内、外密度差（压差）不足以推开控制挡板，挡板由于重力作用而关闭。随着管内空气逐渐吸热、温度继续升高，当蛇形真空玻璃管内热空气温度达到规定值时，管内、外密度差（压差）推开控制挡板，热空气进入室内，实现对室内空气的循环加热。真空玻璃管内装有多孔蓄热材料，主要是为了缓解由于短时太阳光照不足对空气加热的影响。当短时没有太阳光或太阳光照不足时，蓄热材料可以释放自身存储的热量继续对管内空气进行加热。

4 技术及理论分析

4.1 空气的吸热量

玻璃真空管内空气的吸热量，即热空气带入房间的热量计算公式为：

式（1）中：Q为热流量，kW；V为空气体积流量，L/s；ρ为空气的平均密度，kg/m3；c为空气的平均比热，J/（kg·℃）；t1，t2为空气的进口、出口温度，℃。

通过对式（1）的分析可知，进入系统中的空气将源源不断地吸收太阳能而被加热，最终提高房间空气的整体温度水平。而被加热的空气带入房间的热量主要取决于空气体积流量V和空气出、进口的温差t2－t1，而空气的平均密度ρ、比热c对房间的热量影响比较小。

4.2 空气吸热量的影响因素

4.2.1 空气的温升

系统内空气的温升，即空气出、进口的温差t2－t1主要取决于真空玻璃管的面积。当单根真空玻璃管的直径和长度一定时，空气的温升主要取决于所布置真空玻璃管的数量。真空玻璃管的数量越多，空气被加热的温度越高，从而使得循环热空气带入房间的热量越多。

4.2.2 空气的流量

空气体积流量V主要取决于真空玻璃管的直径和空气在管内的流速。当真空玻璃管的结构尺寸确定后，空气的体积流量V主要取决于真空玻璃管内空气的流速。而空气流速主要取决于对管内热空气的推动力，即真空玻璃管内、外的压力差，也就是真空玻璃管内、外空气的密度差以及空气进出口的高度差H，如图2所示，即真空玻璃管的压差Δp。压差的计算公式为：

式（2）中：Δp为真空玻璃管进、出口的压差，Pa；ρ1为空气进口密度，近似为房间空气的平均密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为出口管与进口管的高度差，m。

综上所述，当真空玻璃管的结构尺寸确定后，影响空气吸热量的主要是真空玻璃管的数量、内外空气的密度差和空气进出口的高度差。而内外空气的密度差主要取决于管内空气被加热的程度，即加热面积或者说是真空玻璃管的数量。当真空玻璃管竖向排列且间距一定时，空气进出口的高度差也主要取决于真空玻璃管的数量。由此可见，影响空气吸热量的主要因素是真空玻璃管的数量。

4.3 挡板的温控功能分析

当图2所示的太阳能室内空气循环加热器系统的进、出口为敞开的时，如果真空玻璃管的数量较少或太阳光照较弱，会出现进入房间的热空气温度较低的情况。为了避免这种情况的发生，在系统的出口管上安装了一个挡板，即只有当系统内的空气被加热到一定温度时，热空气推开挡板进入房间内，否则，挡板会关闭。

下面对挡板开启时的受力情况进行分析。如图3所示，挡板为一个带支点的圆形盖板。假设挡板的质量为G，热空气出口管的内径为d，当挡板被热空气推开的角度为θ时，热空气通过间隙源源不断进入房间内，此时热空气的推动力F与挡板的重力分力G1相平衡，即：

从式（3）中可以看出，当系统结构确定后，即H、d不变，如果空气进口密度（房间空气的平均密度）近似为定值时，系统出口的空气密度ρ主要取决于空气的温度，热空气温度越高，密度越小，形成的推动力越大。这样，可以通过调整挡板的质量达到控制进入房间热空气温度的目的。

图2 系统技术分析图

图3 温度控制挡板受力分析图

5 结论及下一步工作计划

通过以上对太阳能室内空气循环加热器的结构设计，以及从技术理论可行性方面对其的分析，可以得到以下结论：①从技术与理论的角度进行分析，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。②真空玻璃管内填充的蓄热材料吸收太阳能后，既可以加热空气，又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。③当真空玻璃管数量不足，热空气出口温度达不到要求时，可以在系统出口处安装温度控制挡板，以提高热空气的出口温度。④通过对温度控制挡板的受力分析可知，温度控制挡板可以提高进入房间的热空气温度，且挡板的质量与热空气出口温度有一定的对应关系。⑤该装置可应用于我国冬季室内温度较低且无供暖设施的地区，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。这个装置可以有效利用清洁的太阳能源，减少对化石燃料的消耗。总之，从结构和技术理论的角度分析看，太阳能室内空气循环加热器是可行的。作为该系统中的核心部件——双开口玻璃真空管的生产及加工技术已经很成熟了。通过前期的市场调研发现，市场上销售的产品规格有几种可供选择，目前已购置了10支外径Φ58 mm、长度L＝1 860 mm的镀蓝膜双开口真空玻璃管，如图4所示。

图4 双开口真空玻璃管（其中3支）

下一步工作计划主要有：①购置用于真空玻璃管安装固定的相关附件和材料，按照结构尺寸加工、组装加热器系统的框架；②选择、购置相关材料制作系统进出口管和连接管，收集或购买蓄热材料；③太阳能室内空气循环加热器系统的整体安装与调试；④进行太阳能室内空气循环加热器系统热性能相关参数的测试、计算和分析等工作；⑤制作、安装温度控制挡板，并进行温度控制挡板质量的调整。

参考文献：

［1］刘鉴民.太阳能利用原理、技术、工程［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［2］钱伯章.太阳能技术与应用［M］.北京：科学出版社，2010.

［3］郭永葆.太阳能集热技术概述［J］.科技情报开发与经济，2001，11（5）：42-43.

［4］罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［5］张春阳.太阳能热利用技术［M］.杭州：浙江科技出版社，2007.

［6］范海燕，迟炳章.太阳能集热器及其适用性浅析［J］.青岛理工大学学报，2009，30（3）：118-121.

［7］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2010.