农村太阳能空气集热采暖系统实验应用

　　下面文章主要以石家庄某农户所用的太阳能空气集热采暖系统为对象，对不同天气条件下该系统的运行效果进行实验分析。分析结果表明：白天，不同天气条件下，房间温度可以保持在18～22℃;夜间，房间温度可以保持在15～18℃。研究结果可为太阳能空气集热采暖系统在北方农村地区的推广提供参考。

　　关键词：农村,太阳能,空气集热器,采暖

　　我国北方农村地区冬季主要使用煤、木材、秸秆等进行取暖，这样会导致大气污染物排放量较大。因此，迫切需要在北方农村地区推广清洁取暖技术。太阳能采暖系统将收集到的太阳辐射能转化为热能并用于取暖，是一种利用清洁能源的取暖方式。

　　目前，常用的太阳能采暖系统为太阳能热水系统，该系统的循环工质为水[1]~[3]。这使得该系统的抗冻性能较差，并存在管路结垢、锈蚀以及真空管破损后导致水资源损失等问题。基于此，国内外学者对太阳能空气集热采暖系统进行研究，并提高了该系统中太阳能空气集热器的换热性能[4]~[7]。太阳能空气集热采暖系统的循环工质为空气，该系统具有抗冻性能好、无结垢、不腐蚀以及当少量工质泄漏时不会影响自身的运行性能等优点[8]，[9]。本文以太阳能空气集热采暖系统为研究对象，根据实验数据对该系统的运行效果进行研究、分析。

　　1实验设计

　　1.1实验条件

　　石家庄市处于北纬38°43′，东经114°55′，属于暖温带半湿润季风大陆性气候，全年平均环境温度为14.9℃，平均风速为1.4m/s，平均日太阳辐射量为4900MJ/m2，平均日照时数为2500h，属于太阳能资源二类区域。石家庄市冬季采暖期为120d(11月15日-次年3月15日)。本文的太阳能空气集热采暖系统位于石家庄市平山县某农村建筑上，该建筑物的取暖面积为100m2，采用太阳能空气集热采暖系统和电加热辅助采暖系统进行供暖。室内采暖设计温度为18～22℃。

　　1.2实验系统

　　太阳能空气集热采暖系统有4组太阳能空气集热器，每组太阳能空气集热器由50支太阳能真空管(直径为58mm，长度为1800mm)组成，太阳能空气集热器的总集热面积为22m2。主风机、引风机为输出功率分别为250W和80W的离心风机。风道的主管道为螺旋风管，直径为100mm，支管道为PVC管，直径为75mm，管道外部均有保温层。出风口处设有电加热设备，该电加热设备的功率为4kW。

　　太阳能空气集热器出口处安装有温度传感器，当太阳能空气集热器出口温度大于45℃时，同时开启主风机和引风机，主风机将太阳能空气集热器中的热空气沿着风道和出风口输送到采暖房间，同时引风机将房间内的冷空气通过回风口和风道输送到太阳能空气集热器内进行加热，如此循环，房间温度会逐渐升高，直至达到室内采暖设计温度。当太阳能空气集热器出口温度低于35℃时，关闭主风机和引风机，在此条件下，若房间温度低于15℃，则同时开启主风机、引风机和电加热设备，利用电加热设备向室内供暖;若房间温度高于18℃，则同时关闭主风机、引风机和电加热设备。

　　1.3实验测试仪器

　　实验过程中，利用太阳能辐射仪、温度传感器和数据采集仪采集、记录太阳辐射强度、累积太阳辐射量、房间温度、室外温度和太阳能空气集热器出口温度等参数。太阳能辐射仪的测量精度为±1W/m2，测量范围为0~2000W/m2;温度传感器的测量精度为±0.3℃，测量范围为-40~100℃。

　　2实验结果分析

　　2.1晴天条件下的实验结果

　　实验系统所在地区晴天条件下的太阳辐射强度较大，太阳辐射强度的最大值约为550W/m2，日太阳辐射量为11.37MJ/m2。晴天条件下太阳能空气集热器出口温度呈现出先升高后降低的变化趋势。

　　9：00左右，太阳能空气集热器出口温度显著升高，这是由于此时采暖房间(利用太阳能空气集热采暖系统和电加热设备供暖的房间)的温度已升高到18℃，此时关闭主风机、引风机和电加热设备，太阳能空气集热器不向室内供热，在太阳辐射强度逐渐增大的条件下，太阳能空气集热器内部温度随之升高。，晴天条件下，白天，采暖房间温度呈现出先升高后降低的变化趋势。9：50左右，太阳能空气集热器出口温度高于45℃，此时开启主风机和引风机向室内供暖。

　　12：45左右，太阳辐射强度达到最大值(550W/m2)，此时太阳能空气集热器出口温度约为91℃，采暖房间温度达到最大值，约为22℃。此后，太阳辐射强度逐渐降低，太阳能空气集热器出口温度的降低速率明显小于太阳辐射强度的降低速率。

　　16：55左右，太阳能空气集热器出口温度降低到35℃以下，此时关闭主风机和引风机，采暖房间温度依然维持在20℃。夜间，由于房间墙体具有一定的蓄热作用，因此，房间温度下降缓慢，19：15左右才降低到15℃以下，此时同时开启主风机、引风机和电加热设备，使室内温度保持在15℃以上。由图4还可看出，晴天条件下平均环境温度为2.1℃。白天，采暖房间温度基本保持在18℃以上，晚间，采暖房间温度保持在15～18℃。

　　而非采暖房间(没有采暖设备的房间)的日平均温度为4.3℃，因此，太阳能空气集热采暖系统的供暖效果十分理想。

　　2.2雾霾天气条件下的实验结果

　　实验系统所在地区雾霾天条件下的太阳辐射强度较小，日太阳辐射量约为0.5MJ/m2。白天，太阳能空气集热器出口温度的升高速度十分缓慢，始终低于45℃。此时，需要根据采暖房间温度的变化情况，来控制电加热设备的启停。上午采暖房间温度约为16℃，此时电加热设备持续运行。

　　12：30，采暖房间温度升高到18℃以上，此时可关闭电加热设备。16：45，采暖房间温度降低到15℃以下，此时须要再次开启电加热设备。雾霾天气条件下平均环境温度为-2℃。白天，采暖房间温度保持在16～18℃，晚间，采暖房间温度保持在15～17℃;非采暖房间温度整日的波动幅度较小，房间温度的平均值为3℃。综上可知，利用太阳能空气集热采暖系统和电加热设备进行供暖，能够保证室内采暖温度满足采暖设计温度。

　　3结论

　　本文对石家庄某农村的户用太阳能空气集热采暖系统进行实验研究，以分析该系统的采暖效果。分析结果表明：晴天条件下，白天，采暖房间温度保持在18℃以上，夜间，采暖房间温度保持在15～18℃，太阳能空气集热采暖系统的供暖效果较好;雾霾天气条件下，白天，采暖房间温度保持在16～18℃，夜间，采暖房间温度保持在15～17℃，太阳能空气集热采暖系统和电加热设备相结合，能够保证室内的采暖温度满足采暖设计温度。

　　参考文献：

　　[1]何梓年.太阳能热利用与建筑结合技术讲座(三)太阳能采暖系统[J].可再生能源，2005，23(3);85-88.

　　[2]贾英新，张雷，靳晔，等.太阳能供暖系统的设计与研究[J].河北工业科技，2012，29(6)：509-511.

　　[3]李金平，王磊，李修真，等.西北新农村建筑太阳能主动供暖试验研究[J].可再生能源，2016，34(11)：1680-1685.

　　[4]王佩明，王志峰，费良斌.全玻璃真空管太阳空气集热器[J].可再生能源，2004，22(4)：28-29.

　　[5]程友良，杨国宁，王月坤.太阳能空气集热器吸热板结构优化及其数值模拟[J].可再生能源，2016，34(7)：949-954.

　　[6]丁刚，左然，张旭鹏，等.平板式太阳能空气集热器流道改进的试验研究和数值模拟[J].可再生能源，2011，29(2)：12-15，21.

　　[7]杨青，郭伟，于国清.直通式真空管太阳能空气集热器的实验研究[J].建筑节能，2017(3)：54-56，61.

　　推荐期刊：可再生能源：1999-2000年度辽宁省一级期刊，创刊于1983年，由辽宁省能源研究所、中国农村能源行业协会、中国资源综合利用协会可再生能源专委会、中国生物质能技术开发中心、辽宁省可再生能源学会主办。