太陽能空調(diào)的改進(jìn)及數(shù)據(jù)分析

安徽省太和縣宮集鎮(zhèn)中心學(xué)校 ■ 王偉民

0 引言

太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔無污染能源。文獻(xiàn)[1]介紹了以地下水為“冷源”，以太陽能為動力驅(qū)動能量，通過插入地下水的管道使涼水在房間循環(huán)流動吸收熱量，在炎熱夏季為房間降溫的太陽能空調(diào)的原理及制作方法。由于該研究僅從簡單的物理原理進(jìn)行闡述，缺乏必要的數(shù)據(jù)支持，且加熱部位位于管子上端，很容易使人產(chǎn)生錯覺：加熱管頂部，密度小的熱水永遠(yuǎn)停留在管上部，跟下面密度大的冷水不能形成對流，整個裝置無法自行運轉(zhuǎn)。

基于之前的研究，本文對該裝置及原理作進(jìn)一步的修改和完善，并對整個裝置的運作原因進(jìn)行定量的數(shù)據(jù)分析。

1 虹吸現(xiàn)象

如圖1所示，裝滿液體的η型管，口朝下插入盛有同種液體的兩容器中，設(shè)左右兩容器液面到管子頂部的豎直高度分別為h1和h2，在η型管的最頂端有一閥門S，閥門S打開后，左邊容器中的液體將沿η型管道流向右邊容器，這就是虹吸現(xiàn)象。

圖1 虹吸現(xiàn)象示意圖

虹吸現(xiàn)象的原理為：設(shè)液體密度為ρ，外界大氣壓為p0，η型管道的橫截面積是S，則η型管道頂端的閥門左、右兩側(cè)所受液體的壓強(qiáng)分別為：p左=p0-ρgh1，p右=p0-ρgh2。所以，閥門左、右兩邊所受液體的壓力分別是：f左=(p0-ρgh1)S，f右=(p0-ρgh2)S。又 h1＜h2，所以 f左＞ f右。因此，閥門打開后，液體會從液面較高的容器沿η型管道流向液面較低的容器——大氣壓和液體壓強(qiáng)共同作用的結(jié)果。

當(dāng)然，將裝滿液體的η型管道兩開口端插入液面相平的同種液體中，如將管子插在一個容器內(nèi)(見圖2)，由于左、右兩側(cè)管中液體的壓強(qiáng)相等，管道中的液體將不再流動。此時，若對η型管道一側(cè)上的某點(如右側(cè)管道的E點)進(jìn)行加熱，則右側(cè)管道內(nèi)液體的平均密度因熱膨脹而減小，與容器液面上方左、右管道中的液體相比，右側(cè)管道內(nèi)液體的壓強(qiáng)較小，在外界大氣壓的作用下，η型管道及容器中的液體便會按逆時針方向不停地循環(huán)流動起來。

圖2 單側(cè)受熱液體流動示意圖

2 太陽能空調(diào)的原理及構(gòu)造

太陽能空調(diào)的運作原理與圖2中液體的循環(huán)流動原理相同，用架設(shè)在房頂上的太陽能溫室對η型雙管道的一側(cè)管道進(jìn)行加熱，利用水在熱膨脹時密度改變引起的壓強(qiáng)變化，使水在管道中循環(huán)流動，冷水在房間吸熱來達(dá)到降低房間溫度的目的，如圖3所示。圖3中，η型雙管道的兩開口端均插入地下水中，穿過房間AB的管道同時還穿過房頂?shù)奶柲芗訜釡厥摇?/p>

圖3 水管內(nèi)水溫度分布示意圖

因為該太陽能空調(diào)的動力能源主要來自房頂溫室的太陽能輻射(冷水管道穿過房間AB時，從房間吸熱也是水循環(huán)流動的驅(qū)動能量，但在總吸收熱量中所占比例較小)，所以，單位時間內(nèi)管道在溫室吸收的熱量越多，水溫升高會越快，水密度減小便越明顯；相應(yīng)地管中的水流動就會越快，制冷效果就會越好。為此，我們可在房頂?shù)臏厥覂?nèi)做一個類似于太陽灶的柱狀拋物面，來反射太陽光對管中的水進(jìn)行快速加熱(太陽灶的反射面是拋物線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)而形成的曲面，可使平行入射的太陽光匯集到一點；而讓拋物線沿垂直于拋物線所在平面的方向平行移動形成的反射面——柱狀拋物面，可讓平行入射的太陽光匯集到一條線上)。

3 太陽能空調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)分析

先看裝置各段的長度。地下水位的高低會影響裝置各段長度的分配，不同地區(qū)地下水位的高低不盡相同，同一地區(qū)在不同季節(jié)往往也不同，夏季由于雨水充沛，地下水位會高一些。以淮北平原為例，夏季的地下水位常在距離地面約3 m處。由于一個大氣壓能支持10.33 m高的水柱，所以，讓η型管道的最高點高出地下水面10 m(若管子過高，超過一個大氣壓能夠支持的水柱高度，管中的水將會在最高處斷開，與地下水不再形成對流，整個裝置無法運作；若管子的最高點太低，加熱部分長度不足，會直接影響管中水的流動速度，進(jìn)而影響制冷效果)。假設(shè)地下水的水面距離地面3.5 m，房間高3 m，在房頂上修建1.8 m高的溫室，各段高度數(shù)據(jù)如圖3所示。

再看水管中各段水的溫度分布情形。圖3中，對在η型管道內(nèi)循環(huán)流動的水而言，右側(cè)BA段從房間吸熱，AF段的下半部從溫室內(nèi)吸熱，水在這兩段會自發(fā)對流。所以，BA段及AF段中的水上下熱交換迅速，可認(rèn)為這兩段的水上下溫度等高；而η型管道左側(cè)FD段，是在向外散熱，因為熱水是從頂端注入的，所以，水在FD段向外界空氣散熱過程中，管中的水上、下不能形成對流，溫度分布呈上高下低的規(guī)律。假設(shè)環(huán)境氣溫為30 ℃，未制冷時，房間溫度也是30 ℃，為簡化計算，假設(shè)向外散熱的FD段內(nèi)水的平均溫度為32 ℃(指溫度對高度的平均值，而非溫度對水管長度的平均值。下文還會討論FD段內(nèi)水的平均溫度能降低到32 ℃的原因)，右管中各段水溫如圖3中的標(biāo)注。計算此時η型管兩側(cè)內(nèi)水的壓強(qiáng)，其中水的密度隨溫度變化關(guān)系見表1。

表1 水的密度隨溫度變化關(guān)系

4 結(jié)果與討論

由上述結(jié)論可知，若管中水溫按圖3所示的規(guī)律分布，η型管中的水會按逆時針流動。當(dāng)然，如果這時用閥門將管道關(guān)閉，使管中的水不再流動，由于左管FD中的平均水溫高于氣溫，左管會繼續(xù)向外散熱，溫度繼續(xù)降低，使左管內(nèi)水的密度繼續(xù)增大，壓強(qiáng)也隨之不斷增大；與此同時，右管FE中的各段都要繼續(xù)吸熱，水的壓強(qiáng)還將不斷減小，所以，η型管中兩邊水的壓強(qiáng)差會進(jìn)一步擴(kuò)大。這就是說，只要有太陽輻射，打開閥門后，整個系統(tǒng)中的水便會不停地循環(huán)流動。

密度一定時，水管中液體的壓強(qiáng)與液體深度成正比，與水管長度無關(guān)。而在粗細(xì)一定、與外界空氣溫差一定的情況下，相同時間內(nèi)水管中水與外界空氣的熱交換量隨著水管長度的增加而增大。所以，為使η型管道左側(cè)頂部溫度較高的熱水既能有效地向外散熱，同時又不會因為深度較大，而使左管水的平均壓強(qiáng)變得較小，影響管中水的循環(huán)速度。在左管道的最頂部設(shè)計成螺旋狀，如圖4所示。為增加涼水管道在房間AB內(nèi)的長度，以提高制冷效果，房間內(nèi)的管道也可設(shè)計成圖4的螺旋狀(當(dāng)然，為節(jié)省室內(nèi)空間，室內(nèi)管道設(shè)計成側(cè)放的平面W狀也可)。

圖4 散熱螺旋管道示意圖

另外，為使水在管道內(nèi)流動順暢、快速，發(fā)揮更好的制冷作用，對整個裝置有一定的技術(shù)要求：管道內(nèi)壁應(yīng)做得非常光滑，以減小水流動時所受的阻力；右管道插入水中的EC段采用絕熱材料，防止管外溫度稍高的熱水對管內(nèi)水溫的影響；η型管道的其余部分用導(dǎo)熱性能好的材料來做，以提高水與外界的熱交換能力；圖3中的FA段，水管截面積盡可能做得小一些，以使管內(nèi)的水溫能快速升高(在同樣時間內(nèi)，F(xiàn)A段管道內(nèi)水溫升的越高，η型管道兩邊水的壓強(qiáng)差就會越大，水的流動便越快)。

由于η型管道的散熱部分是左側(cè)管道，而熱傳遞的速度隨溫差的增大而加快，左側(cè)頂端螺旋狀管道內(nèi)的水溫較高，同時水柱較長，與外界熱交換比較迅速。所以，左側(cè)管FG段的水與外界的熱交換，放出的熱量大部分是在深度較小而長度較大的螺旋狀管道進(jìn)行的，接近地面處，管內(nèi)水溫應(yīng)基本與室溫相同；地面下的管道內(nèi)，水溫會低于室溫。因此，左側(cè)管內(nèi)的水溫相對管子高度的平均值，不會比環(huán)境溫度高出多少(主要是因為溫度較高的水“占有”的高度較小)，平均溫度可降到比環(huán)境溫度高出2 ℃的32 ℃。而炎熱的夏季，大地溫度通常比氣溫低得多，所以，左側(cè)管道流入地下的水由于大地的進(jìn)一步吸熱，溫度不會太高；而且流入地下的溫度稍高的熱水，由于密度小漂浮于冷水的上面，基本不會對進(jìn)水管口進(jìn)入的冷水溫度產(chǎn)生影響。

如文獻(xiàn)[1]所述，可在房間內(nèi)η型管道的底端安裝一個小功率的電動抽水機(jī)，在陰天或其他原因?qū)е鹿苤兴疅o法自行流動或自行流動速度較小時，使用外力使水循環(huán)流動，給房間降溫；同時用電風(fēng)扇對室內(nèi)管子吹風(fēng)加快水管在房間的吸熱速度，提高制冷效果。

另外，如果地下水位過低，地下水面與房頂距離較遠(yuǎn)，房頂上不允許有太長的管子用來給水加熱，無法滿足水循環(huán)需要的動力，我們可將玻璃加熱溫室由房頂移至房屋南面的地面上(連同里面的拋物面反射裝置，移至南面的目的是考慮向陽)，同時將房間內(nèi)的吸熱管道設(shè)計成η型彎管，如圖5所示。這樣可使密度較小的熱水占有更大的高度，加大水在管道內(nèi)循環(huán)流動的動力，使制冷效果更明顯。

圖5 加熱管道下移示意圖

5 結(jié)論

由以上分析可看出，夏天，氣溫較高時，用封閉的管道插入地下水中，以太陽能加熱的方式提供動力，依靠地下冷水在管道內(nèi)循環(huán)流動，可達(dá)到讓地下涼水在房間吸熱，降低室內(nèi)溫度的目的。

[1] 王偉民. 太陽能空調(diào)的原理及制作[J]. 太陽能， 2013， (23):84－49.