太陽能空氣采暖系統(tǒng)運(yùn)行控制方法的實(shí)驗(yàn)研究

林楠 劉安琪 王婉婷 趙旖晗

摘 要：以太陽能實(shí)驗(yàn)房中空氣采暖系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)探究太陽能空氣采暖系統(tǒng)在不同控制工況下對(duì)室內(nèi)溫度濕度的影響對(duì)比及對(duì)不同時(shí)段下室內(nèi)溫度場(chǎng)的具體分布進(jìn)行分析，得出變風(fēng)量工況下室內(nèi)供暖效果優(yōu)于間歇式工況及恒流量工況，為合理設(shè)計(jì)控制方法使達(dá)到最佳采暖效果提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能空氣采暖系統(tǒng) 控制方法 室內(nèi)溫度場(chǎng)

0 引言

太陽能空氣集熱器的研究歷史可以追溯到20世紀(jì)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(nèi)部空氣升溫的設(shè)備[1]。近20年來太陽能空氣集熱器在北方農(nóng)村地區(qū)（遼寧，甘肅等地）得到了一定程度的應(yīng)用推廣[2]，其相比于暖氣空調(diào)等傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)。

本文以壁掛式太陽能空氣集熱器為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)分析了不同控制方式下室內(nèi)溫度場(chǎng)的具體分布情況，室內(nèi)平均溫度濕度對(duì)比并給出了控制建議。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及測(cè)點(diǎn)布置

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象是大連理工大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)三號(hào)樓頂樓太陽能實(shí)驗(yàn)二號(hào)房，實(shí)驗(yàn)房尺寸為2.8m×2.6m×2.45m，南墻有太陽能空氣集熱器兩排，風(fēng)機(jī)兩組，上下風(fēng)口各兩個(gè)。

測(cè)點(diǎn)布置實(shí)圖如圖1所示，室內(nèi)有55個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和一個(gè)濕度測(cè)點(diǎn)，溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4，6個(gè)高度面分別距地高100mm，450mm，100mm，1500mm，1850mm，2350mm，每個(gè)高度面上測(cè)點(diǎn)分布如圖。

圖1測(cè)點(diǎn)布置實(shí)圖 圖2平面測(cè)點(diǎn)

1.2實(shí)驗(yàn)方法及工況

本次研究的實(shí)驗(yàn)工況選擇是參考前人研究的經(jīng)驗(yàn)工況同時(shí)根據(jù)當(dāng)天室外氣溫進(jìn)行設(shè)定。對(duì)室外氣溫測(cè)量數(shù)據(jù)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(jìn)行了變流量工況，恒流量工況，間歇式工況，變流量工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)工況如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)時(shí)間 實(shí)驗(yàn)工況 實(shí)驗(yàn)說明

12.7 變風(fēng)量工況 每1小時(shí)改變一次，9點(diǎn)-16點(diǎn)，檔位由2檔—5檔—2檔變化

12.15 恒流量工況 風(fēng)機(jī)檔位4恒流量全天運(yùn)行

12.16 間歇式工況 以檔位3間歇運(yùn)行，每開45分鐘關(guān)閉15分鐘

12.17 變風(fēng)量工況 每1小時(shí)改變一次，9點(diǎn)-16點(diǎn)，檔位由2檔—5檔—2檔變化

2.不同工況下室內(nèi)溫度場(chǎng)分析

本實(shí)驗(yàn)探究不同工況下太陽能采暖系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的具體影響，實(shí)驗(yàn)選取下午13：00（太陽輻射照度較強(qiáng)時(shí)）及下午16：00（太陽輻射照度較弱時(shí)）對(duì)四天工況進(jìn)行分析。

通過下午13：00室內(nèi)溫度場(chǎng)分布分析可以看出由于太陽能空氣采暖系統(tǒng)上風(fēng)口輸送熱風(fēng)下風(fēng)口回冷風(fēng)的特點(diǎn)，整個(gè)室內(nèi)溫度場(chǎng)上部分整體溫度較高，下部分室內(nèi)溫度較低。同時(shí)本次實(shí)驗(yàn)也進(jìn)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(nèi)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(dá)38.74℃，12月15日集熱器出口溫度僅為10.58℃，且靠近墻面一側(cè)溫度很低，冷感明顯。

對(duì)下午16：00也進(jìn)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(fēng)量工況及間歇式工況下仍能使室內(nèi)溫度場(chǎng)保持一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，室內(nèi)溫度約為12℃，間歇式工況及恒流量工況下室內(nèi)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(fēng)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(nèi)冷區(qū)占大部分，此時(shí)太陽能采暖系統(tǒng)的使用效果十分不好。

3 結(jié)論

通過對(duì)太陽能采暖系統(tǒng)不同控制策略的實(shí)驗(yàn)探究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

1）三種工況比對(duì)分析變風(fēng)量運(yùn)行間歇式運(yùn)行室內(nèi)溫度場(chǎng)分布較均勻，平均溫度在15℃左右，內(nèi)平均溫度僅為6℃。

2）變風(fēng)量運(yùn)行相比間歇式集熱器出口溫度較高，最高可達(dá)38.74℃，房間內(nèi)溫度整體高且穩(wěn)定。

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

4）三種運(yùn)行工況性能高低分析，變風(fēng)量工況>間歇式工況>恒流量工況。

根據(jù)以上結(jié)論對(duì)太陽能采暖系統(tǒng)的控制方式有以下建議：

1）控制方式選取變風(fēng)量工況效果較佳，當(dāng)室外溫度較低時(shí)也可采用間歇式工況運(yùn)行，但風(fēng)機(jī)流速應(yīng)選擇低檔位，在室外太陽輻射照度穩(wěn)定時(shí)也可選用恒流量工況，但不宜全天運(yùn)行。

2）在選擇變風(fēng)量工況時(shí)，在早上及傍晚太陽輻射照度較低時(shí)宜采用低檔位風(fēng)機(jī)，在中午太陽輻射照度較大時(shí)宜采用高檔位風(fēng)機(jī)，使其輸入室內(nèi)質(zhì)量流率盡可能最大。

參考文獻(xiàn)：

[1]高文峰 ，太陽能空氣集熱器研究進(jìn)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(diào)， 2008，38（10）

[3]李平，太陽能空氣集熱器中蜂窩結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)比研究，節(jié)能技術(shù)，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.