太陽能空氣采暖系統運行控制方法的實驗研究

林楠 劉安琪 王婉婷 趙旖晗

摘 要：以太陽能實驗房中空氣采暖系統為研究對象，通過實驗探究太陽能空氣采暖系統在不同控制工況下對室內溫度濕度的影響對比及對不同時段下室內溫度場的具體分布進行分析，得出變風量工況下室內供暖效果優于間歇式工況及恒流量工況，為合理設計控制方法使達到最佳采暖效果提供參考。

關鍵詞：太陽能空氣采暖系統 控制方法 室內溫度場

0 引言

太陽能空氣集熱器的研究歷史可以追溯到20世紀70年代，是一種通過集熱板將太陽輻射熱量收集起來使集熱器內部空氣升溫的設備[1]。近20年來太陽能空氣集熱器在北方農村地區（遼寧，甘肅等地）得到了一定程度的應用推廣[2]，其相比于暖氣空調等傳統供暖方式其具有減少煤的使用量降低一次二次能源消耗的優點。

本文以壁掛式太陽能空氣集熱器為研究對象，通過實驗分析了不同控制方式下室內溫度場的具體分布情況，室內平均溫度濕度對比并給出了控制建議。

1 實驗概述

1.1 實驗對象及測點布置

本次實驗對象是大連理工大學綜合實驗三號樓頂樓太陽能實驗二號房，實驗房尺寸為2.8m×2.6m×2.45m，南墻有太陽能空氣集熱器兩排，風機兩組，上下風口各兩個。

測點布置實圖如圖1所示，室內有55個溫度測點和一個濕度測點，溫度測點布置如圖4，6個高度面分別距地高100mm，450mm，100mm，1500mm，1850mm，2350mm，每個高度面上測點分布如圖。

圖1測點布置實圖 圖2平面測點

1.2實驗方法及工況

本次研究的實驗工況選擇是參考前人研究的經驗工況同時根據當天室外氣溫進行設定。對室外氣溫測量數據為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分別進行了變流量工況，恒流量工況，間歇式工況，變流量工況運行實驗，具體實驗工況如下表1所示。

表1 實驗工況

實驗時間 實驗工況 實驗說明

12.7 變風量工況 每1小時改變一次，9點-16點，檔位由2檔—5檔—2檔變化

12.15 恒流量工況 風機檔位4恒流量全天運行

12.16 間歇式工況 以檔位3間歇運行，每開45分鐘關閉15分鐘

12.17 變風量工況 每1小時改變一次，9點-16點，檔位由2檔—5檔—2檔變化

2.不同工況下室內溫度場分析

本實驗探究不同工況下太陽能采暖系統對室內溫度場的具體影響，實驗選取下午13：00（太陽輻射照度較強時）及下午16：00（太陽輻射照度較弱時）對四天工況進行分析。

通過下午13：00室內溫度場分布分析可以看出由于太陽能空氣采暖系統上風口輸送熱風下風口回冷風的特點，整個室內溫度場上部分整體溫度較高，下部分室內溫度較低。同時本次實驗也進行了房間溫度切片分析，更具體探究集熱器出口溫度的不同。通過室內溫度切片圖可以清晰看出12月7日集熱器出口溫度最高可達38.74℃，12月15日集熱器出口溫度僅為10.58℃，且靠近墻面一側溫度很低，冷感明顯。

對下午16：00也進行了同樣分析。下午16：00室外太陽輻射照度較低，集熱器熱量明顯降低，可以看出變風量工況及間歇式工況下仍能使室內溫度場保持一個較為穩定的狀態，室內溫度約為12℃，間歇式工況及恒流量工況下室內溫度不均勻平均溫度僅為4.5℃，尤其是15日靠近墻面處溫度十分低。下午16：00太陽輻射照度較低，集熱器出口溫度整體低于13：00，其中變風量情況下集熱器出口溫度最高可為19.53℃，而恒流量情況下集熱器出口溫度僅為4.54℃，由切片圖可以看出恒流量工況下室內冷區占大部分，此時太陽能采暖系統的使用效果十分不好。

3 結論

通過對太陽能采暖系統不同控制策略的實驗探究，根據實驗結果分析可以得出以下結論：

1）三種工況比對分析變風量運行間歇式運行室內溫度場分布較均勻，平均溫度在15℃左右，內平均溫度僅為6℃。

2）變風量運行相比間歇式集熱器出口溫度較高，最高可達38.74℃，房間內溫度整體高且穩定。

3）間歇式工況及恒流量工況下室內溫度低，濕度較高，最高可達60%，給人冷濕感覺。

4）三種運行工況性能高低分析，變風量工況>間歇式工況>恒流量工況。

根據以上結論對太陽能采暖系統的控制方式有以下建議：

1）控制方式選取變風量工況效果較佳，當室外溫度較低時也可采用間歇式工況運行，但風機流速應選擇低檔位，在室外太陽輻射照度穩定時也可選用恒流量工況，但不宜全天運行。

2）在選擇變風量工況時，在早上及傍晚太陽輻射照度較低時宜采用低檔位風機，在中午太陽輻射照度較大時宜采用高檔位風機，使其輸入室內質量流率盡可能最大。

參考文獻：

[1]高文峰 ，太陽能空氣集熱器研究進展.新能源.1995，17：1-8

[2]陳濱，壁掛式太陽能空氣集熱器最佳供暖方式研究，暖通空調， 2008，38（10）

[3]李平，太陽能空氣集熱器中蜂窩結構的試驗比研究，節能技術，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.