太阳能室内供暖设备设计与应用

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摘要：目前，我国乡村地区多利用煤炭供暖，这会产生大量污染气体，给环境造成负担；另外，由于南方部分地区的地区特性和建筑特点，房屋中没有布置集中供暖的设备，因而，进入冬季后室内会非常湿冷。本设计主要由生活残余物易拉罐制成，通过太阳光对易拉罐与空气管道之间的导热油加热，进而加热空气通道中的空气，在日间和夜间对室内采用不同方式供暖，以达到充分运用清洁能源太阳能的目的。

关键词：易拉罐；太阳能；农村冬季供暖；节能减排

农村传统供暖需要消耗大量的化石能源，花费大量的费用。并且化石能源的使用还会对环境造成污染，对人类身体造成伤害。我们迫切需要改变传统的能源消费模式和结构来解决当前难题。而新能源的开发和利用是当今世界的发展趋势,我们有着随处可见的太阳能资源，它不仅高效、洁净，而且取之不尽、用之不竭。因此，我们就从太阳可散发出巨大热能出发，采用生活废弃物质制造的设备，利用太阳能对房屋进行供暖；这样起到节约能源、节省生产投资作用的同时，也解决了空气污染和废料堆积造成的环境问题。

1我国供暖现状存在的主要问题

1.1严重依赖煤炭资源，新能源利用不足。据统计，截至2016年，我国北方地区城乡建筑取暖总面积约为206亿平方米，其中农村面积约65亿平方米，燃煤取暖面积占总面积的83%，天然气、电、地热能、太阳能等仅约17%。我国大约有9万多乡镇，每年约有1.4亿吨的煤炭、秸秆被燃烧，在燃烧过程中会释放大量烟尘及pm10、pm2.5等有害物质，严重危害人体健康。新型能源和清洁能源利用少的原因在于技术和经济方面，新能源的利用技术还不成熟，清洁能源的使用成本普遍较高。拿我国目前首推的天然气来说，尽管很多乡村地区铺设了天然气管道，但是天然气的供应量和使用成本是一个很大的问题。应用新能源供暖设备,合理开发利用新能源,以此来解决环境污染问题和农民的经济问题,实现可持续发展，势在必行。1.2南方冬季供暖问题。我国长江中下游地区由于地区特性和建筑特点，房屋在建设时没有布置集中供暖的设备，并且南方的房屋多采用两层砖的结构，不利于保温，即便采用集中供暖也会带来更大的能耗。网上也存在很多说法，比如若在南方实现集中供暖，工程量不亚于西气东输、南水北调等大型工程，成本极高。但是像杭州、长沙、合肥等地的冬季月平均气温在8℃以下再加上南方空气湿度比北方大得多，同样的温度下，湿度每提高10％体感温度就会下降1℃，越湿越冷，越冷越湿，这就使南方的冬天比北方更难忍受。受季风气候影响的长江中下游地区，每年日照时间1000到1400小时，并且冬季降水较少，日照量充足，利用太阳能供暖更为实际。

2太阳能供热设备设计说明

本产品采用人们生活残余物易拉罐制成密封的空气加热管道，因为易拉罐由金属铝制造，具有强有力的吸热作用，再将其表面覆盖深色的非选择性吸收涂层，这就更加增强了易拉罐的吸热传热效果，为管道中的空气充分加热。通过管道将房间与加热设备连通，利用内外空气温度差及引风设备，实现室内外空气对流交换。另外，在加热管道中布置油管，地下布置储油箱，日间通过热空气加热导热油，将热量储存；夜间通过油泵将热油泵入室内供暖设备，实现供暖目的。2.1供暖设备设计及布置。本供暖设备系统，由日间热风供暖系统、夜间热油供暖系统及其他辅助设备组成。实际应用以7×5×3m的农村普通房屋为例，屋顶设置太阳能吸热箱尺寸约为6×4×0.4m。整体吸热箱分为三组，每组平面尺寸2×4m。四周及底部采用岩棉、聚苯乙烯树脂保温板，顶部采用双层真空隔温玻璃盖板制成。箱体外壳采用铝合金板一次模压成型技术，使其具有一定的强度和刚度、较好的密封性及耐腐蚀性。设备输气管道采用聚氨酯保温管道，输油管道采用普通橡胶软管，管道均采用双层管道设计，管道之间填充发泡层起到更好的保温效果。据计算，每组太阳能吸热箱内约需800个采用密封胶连接的废易拉罐，布置为30排、20列。每列之间靠保温通风管连接，每组开设一个冷风口和一个热风口，依靠管道分别连接室内的前墙底部与后墙顶部。这样，使每组的空气加热管道成蛇行，空气将在其中加热更长的时间并给热油管加热。在出风口管道处布置自制小型低功率引风机，使空气加速流动，从而实现与室内交换空气热量的目的。在热油储热装置的设计上，实验结果表明,正常使用情况下,导热油几乎不会使铜、铝和不锈钢锈蚀；导热油最高闷晒温度可达289.5℃,导热油的外观也无显著变化;此外,分别从防漏、防火、防爆、防氧化等方面出发，我们总结出了导热油在CPC中温太阳能系统的应用中拥有相对稳定的性质。从设备结构安全性以及经济性等多方面考虑，我们应用直径2cm的铝制蛇形管布置于两排加热管道之间，每组约80m长，管内可装导热油约38L。热油管内布满导热油并连接地下油桶，日间吸收太阳能热量，存储于地下油桶；约80L的保温储油桶布置于地下以达到更好的保温效果，中间分隔为常温油箱（40L）和热油箱(40L)，并分别装有热油泵用于清晨向吸热箱、夜间向室内暖气泵油。导热油比热容较低，放热慢；夜间循环于室内热油暖气中，以达到夜间辅助供暖的目的。2.2日间热风供暖系统。系统工作原理：根据温度差导致热空气向上流动、冷空气下沉的原理，通过房间前墙下方布置的冷风口将冷空气从下方抽出至空气加热管道加热，而后将热空气由后墙上方通入室内，最后达到冷空气被抽出、热空气被通入的循环。因空气自然对流循环缓慢，将在冷风口外部布置小型引风机，以提高空气循环速度。以北方农村为例，冬季日光充足时间大概为上午9点至下午4点（南方较长一些）。上午由电控系统自动开启室内冷、热风口及启动引风机，开始工作；傍晚，再由电控系统主动关闭循环系统。此外，在室内多处布置热电偶温度传感器，检测室内温度并向电控系统传输信息，通过电控系统控制循环风速，以调控室温。2.3夜间热油供热系统。系统工作原理：清晨由电控系统控制常温油箱热油泵开启、热油箱阀门关闭，将常温油箱内热油送入太阳能箱蛇形管内进行吸热；傍晚控制热油箱阀门开启，热油依靠重力作用回流至热油箱，打开热油箱油泵，向室内暖气泵入高温热油。通过热电偶感温传感器，检查暖气内热油温度与室温温差，由电控系统控制热油箱油泵开启时刻及常温油箱阀门开启，使热油回流常温油箱并泵入高温热油。

3实验效果及应用分析

经过多次试验，将设备布置倾斜角选定在当地纬度+（10°），可使易拉罐内的空气温度达到39℃左右，而热油管中的热油温度在日照充足的情况下可以高达146℃。另外，我国各地太阳辐射量中值5852MJ/m2，西北华北地区辐射量较大，进入冬季后受季风气候影响，南方日照量升高，该设备在冬季使用，自然条件充分。但是，设备长期暴露于室外，在冬季容易积灰、积雪，不利于接受太阳辐射，因此需要及时清理，保证其受热面积。在使用条件与效果上，都已达到了我们的预期设想。

太阳能室内供热设备将生活废弃物易拉罐充分利用制成简易加热设备，整个设备妥善处理了废弃物，充分利用了新能源，在一定程度上减少了污染气体的排放，而且减少了人们对供暖设备及所用能源的资金投入。对于南方来说，该设备可以缓解室内比室外还要冷的局面；对于北方来说，可在一定程度上减少煤的消耗量，减少因燃煤和秸秆焚烧等造成的环境污染。整个系统构造简单，初期投资不高，可广泛用于家庭供暖。

参考文献：

[1]郑鑫,马光柏,李娜,袁婉丽.中温太阳能系统中导热油的特性试验研究[J].当代化工,2018,47(11).

[2]刘艳峰.太阳能利用与建筑节能[M].北京：机械工业出版社,2015.

[3]王璐.太阳能技术在低层住宅中的应用[D].华中科技大学,2005.

作者:赵聪聪 刘少鹏 陶磊 郭嘉鹏 周稚翔 单位:河北农业大学