太陽(yáng)能室內(nèi)供暖設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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摘要：目前，我國(guó)鄉(xiāng)村地區(qū)多利用煤炭供暖，這會(huì)產(chǎn)生大量污染氣體，給環(huán)境造成負(fù)擔(dān)；另外，由于南方部分地區(qū)的地區(qū)特性和建筑特點(diǎn)，房屋中沒有布置集中供暖的設(shè)備，因而，進(jìn)入冬季后室內(nèi)會(huì)非常濕冷。本設(shè)計(jì)主要由生活殘余物易拉罐制成，通過(guò)太陽(yáng)光對(duì)易拉罐與空氣管道之間的導(dǎo)熱油加熱，進(jìn)而加熱空氣通道中的空氣，在日間和夜間對(duì)室內(nèi)采用不同方式供暖，以達(dá)到充分運(yùn)用清潔能源太陽(yáng)能的目的。

關(guān)鍵詞：易拉罐；太陽(yáng)能；農(nóng)村冬季供暖；節(jié)能減排

農(nóng)村傳統(tǒng)供暖需要消耗大量的化石能源，花費(fèi)大量的費(fèi)用。并且化石能源的使用還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人類身體造成傷害。我們迫切需要改變傳統(tǒng)的能源消費(fèi)模式和結(jié)構(gòu)來(lái)解決當(dāng)前難題。而新能源的開發(fā)和利用是當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢(shì),我們有著隨處可見的太陽(yáng)能資源，它不僅高效、潔凈，而且取之不盡、用之不竭。因此，我們就從太陽(yáng)可散發(fā)出巨大熱能出發(fā)，采用生活廢棄物質(zhì)制造的設(shè)備，利用太陽(yáng)能對(duì)房屋進(jìn)行供暖；這樣起到節(jié)約能源、節(jié)省生產(chǎn)投資作用的同時(shí)，也解決了空氣污染和廢料堆積造成的環(huán)境問題。

1我國(guó)供暖現(xiàn)狀存在的主要問題

1.1嚴(yán)重依賴煤炭資源，新能源利用不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年，我國(guó)北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約為206億平方米，其中農(nóng)村面積約65億平方米，燃煤取暖面積占總面積的83%，天然氣、電、地?zé)崮堋⑻?yáng)能等僅約17%。我國(guó)大約有9萬(wàn)多鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每年約有1.4億噸的煤炭、秸稈被燃燒，在燃燒過(guò)程中會(huì)釋放大量煙塵及pm10、pm2.5等有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害人體健康。新型能源和清潔能源利用少的原因在于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面，新能源的利用技術(shù)還不成熟，清潔能源的使用成本普遍較高。拿我國(guó)目前首推的天然氣來(lái)說(shuō)，盡管很多鄉(xiāng)村地區(qū)鋪設(shè)了天然氣管道，但是天然氣的供應(yīng)量和使用成本是一個(gè)很大的問題。應(yīng)用新能源供暖設(shè)備,合理開發(fā)利用新能源,以此來(lái)解決環(huán)境污染問題和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)問題,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，勢(shì)在必行。1.2南方冬季供暖問題。我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)由于地區(qū)特性和建筑特點(diǎn)，房屋在建設(shè)時(shí)沒有布置集中供暖的設(shè)備，并且南方的房屋多采用兩層磚的結(jié)構(gòu)，不利于保溫，即便采用集中供暖也會(huì)帶來(lái)更大的能耗。網(wǎng)上也存在很多說(shuō)法，比如若在南方實(shí)現(xiàn)集中供暖，工程量不亞于西氣東輸、南水北調(diào)等大型工程，成本極高。但是像杭州、長(zhǎng)沙、合肥等地的冬季月平均氣溫在8℃以下再加上南方空氣濕度比北方大得多，同樣的溫度下，濕度每提高10％體感溫度就會(huì)下降1℃，越濕越冷，越冷越濕，這就使南方的冬天比北方更難忍受。受季風(fēng)氣候影響的長(zhǎng)江中下游地區(qū)，每年日照時(shí)間1000到1400小時(shí)，并且冬季降水較少，日照量充足，利用太陽(yáng)能供暖更為實(shí)際。

2太陽(yáng)能供熱設(shè)備設(shè)計(jì)說(shuō)明

本產(chǎn)品采用人們生活殘余物易拉罐制成密封的空氣加熱管道，因?yàn)橐桌抻山饘黉X制造，具有強(qiáng)有力的吸熱作用，再將其表面覆蓋深色的非選擇性吸收涂層，這就更加增強(qiáng)了易拉罐的吸熱傳熱效果，為管道中的空氣充分加熱。通過(guò)管道將房間與加熱設(shè)備連通，利用內(nèi)外空氣溫度差及引風(fēng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣對(duì)流交換。另外，在加熱管道中布置油管，地下布置儲(chǔ)油箱，日間通過(guò)熱空氣加熱導(dǎo)熱油，將熱量?jī)?chǔ)存；夜間通過(guò)油泵將熱油泵入室內(nèi)供暖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)供暖目的。2.1供暖設(shè)備設(shè)計(jì)及布置。本供暖設(shè)備系統(tǒng)，由日間熱風(fēng)供暖系統(tǒng)、夜間熱油供暖系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。實(shí)際應(yīng)用以7×5×3m的農(nóng)村普通房屋為例，屋頂設(shè)置太陽(yáng)能吸熱箱尺寸約為6×4×0.4m。整體吸熱箱分為三組，每組平面尺寸2×4m。四周及底部采用巖棉、聚苯乙烯樹脂保溫板，頂部采用雙層真空隔溫玻璃蓋板制成。箱體外殼采用鋁合金板一次模壓成型技術(shù)，使其具有一定的強(qiáng)度和剛度、較好的密封性及耐腐蝕性。設(shè)備輸氣管道采用聚氨酯保溫管道，輸油管道采用普通橡膠軟管，管道均采用雙層管道設(shè)計(jì)，管道之間填充發(fā)泡層起到更好的保溫效果。據(jù)計(jì)算，每組太陽(yáng)能吸熱箱內(nèi)約需800個(gè)采用密封膠連接的廢易拉罐，布置為30排、20列。每列之間靠保溫通風(fēng)管連接，每組開設(shè)一個(gè)冷風(fēng)口和一個(gè)熱風(fēng)口，依靠管道分別連接室內(nèi)的前墻底部與后墻頂部。這樣，使每組的空氣加熱管道成蛇行，空氣將在其中加熱更長(zhǎng)的時(shí)間并給熱油管加熱。在出風(fēng)口管道處布置自制小型低功率引風(fēng)機(jī)，使空氣加速流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)交換空氣熱量的目的。在熱油儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,正常使用情況下,導(dǎo)熱油幾乎不會(huì)使銅、鋁和不銹鋼銹蝕；導(dǎo)熱油最高悶曬溫度可達(dá)289.5℃,導(dǎo)熱油的外觀也無(wú)顯著變化;此外,分別從防漏、防火、防爆、防氧化等方面出發(fā)，我們總結(jié)出了導(dǎo)熱油在CPC中溫太陽(yáng)能系統(tǒng)的應(yīng)用中擁有相對(duì)穩(wěn)定的性質(zhì)。從設(shè)備結(jié)構(gòu)安全性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面考慮，我們應(yīng)用直徑2cm的鋁制蛇形管布置于兩排加熱管道之間，每組約80m長(zhǎng)，管內(nèi)可裝導(dǎo)熱油約38L。熱油管內(nèi)布滿導(dǎo)熱油并連接地下油桶，日間吸收太陽(yáng)能熱量，存儲(chǔ)于地下油桶；約80L的保溫儲(chǔ)油桶布置于地下以達(dá)到更好的保溫效果，中間分隔為常溫油箱（40L）和熱油箱(40L)，并分別裝有熱油泵用于清晨向吸熱箱、夜間向室內(nèi)暖氣泵油。導(dǎo)熱油比熱容較低，放熱慢；夜間循環(huán)于室內(nèi)熱油暖氣中，以達(dá)到夜間輔助供暖的目的。2.2日間熱風(fēng)供暖系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理：根據(jù)溫度差導(dǎo)致熱空氣向上流動(dòng)、冷空氣下沉的原理，通過(guò)房間前墻下方布置的冷風(fēng)口將冷空氣從下方抽出至空氣加熱管道加熱，而后將熱空氣由后墻上方通入室內(nèi)，最后達(dá)到冷空氣被抽出、熱空氣被通入的循環(huán)。因空氣自然對(duì)流循環(huán)緩慢，將在冷風(fēng)口外部布置小型引風(fēng)機(jī)，以提高空氣循環(huán)速度。以北方農(nóng)村為例，冬季日光充足時(shí)間大概為上午9點(diǎn)至下午4點(diǎn)（南方較長(zhǎng)一些）。上午由電控系統(tǒng)自動(dòng)開啟室內(nèi)冷、熱風(fēng)口及啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，開始工作；傍晚，再由電控系統(tǒng)主動(dòng)關(guān)閉循環(huán)系統(tǒng)。此外，在室內(nèi)多處布置熱電偶溫度傳感器，檢測(cè)室內(nèi)溫度并向電控系統(tǒng)傳輸信息，通過(guò)電控系統(tǒng)控制循環(huán)風(fēng)速，以調(diào)控室溫。2.3夜間熱油供熱系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理：清晨由電控系統(tǒng)控制常溫油箱熱油泵開啟、熱油箱閥門關(guān)閉，將常溫油箱內(nèi)熱油送入太陽(yáng)能箱蛇形管內(nèi)進(jìn)行吸熱；傍晚控制熱油箱閥門開啟，熱油依靠重力作用回流至熱油箱，打開熱油箱油泵，向室內(nèi)暖氣泵入高溫?zé)嵊汀Ｍㄟ^(guò)熱電偶感溫傳感器，檢查暖氣內(nèi)熱油溫度與室溫溫差，由電控系統(tǒng)控制熱油箱油泵開啟時(shí)刻及常溫油箱閥門開啟，使熱油回流常溫油箱并泵入高溫?zé)嵊汀?/p>

3實(shí)驗(yàn)效果及應(yīng)用分析

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，將設(shè)備布置傾斜角選定在當(dāng)?shù)鼐暥?（10°），可使易拉罐內(nèi)的空氣溫度達(dá)到39℃左右，而熱油管中的熱油溫度在日照充足的情況下可以高達(dá)146℃。另外，我國(guó)各地太陽(yáng)輻射量中值5852MJ/m2，西北華北地區(qū)輻射量較大，進(jìn)入冬季后受季風(fēng)氣候影響，南方日照量升高，該設(shè)備在冬季使用，自然條件充分。但是，設(shè)備長(zhǎng)期暴露于室外，在冬季容易積灰、積雪，不利于接受太陽(yáng)輻射，因此需要及時(shí)清理，保證其受熱面積。在使用條件與效果上，都已達(dá)到了我們的預(yù)期設(shè)想。

太陽(yáng)能室內(nèi)供熱設(shè)備將生活廢棄物易拉罐充分利用制成簡(jiǎn)易加熱設(shè)備，整個(gè)設(shè)備妥善處理了廢棄物，充分利用了新能源，在一定程度上減少了污染氣體的排放，而且減少了人們對(duì)供暖設(shè)備及所用能源的資金投入。對(duì)于南方來(lái)說(shuō)，該設(shè)備可以緩解室內(nèi)比室外還要冷的局面；對(duì)于北方來(lái)說(shuō)，可在一定程度上減少煤的消耗量，減少因燃煤和秸稈焚燒等造成的環(huán)境污染。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，初期投資不高，可廣泛用于家庭供暖。

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作者:趙聰聰 劉少鵬 陶磊 郭嘉鵬 周稚翔 單位:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)