Оглавление

Нагревание воздуха солнечной энергией

Джордж Лоф и Томас Невенс

Денверский исследовательский институт, Колорадо

При применении солнечной энергии для нагрева жилых домов и для прочих нужд, первичным элементом отопительной системы является солнечный гелиоконцентратор. Функции гелиоконцентратора – преобразование солнечной энергии, падающей на его поверхность тепло жидкости, которая проходит через собирательный блок.

Энергетических гелиоконцентраторов было создано множество типов. Фокусирующий тип, (Макхот, 1879), использующий линзы или зеркала для концентрирования солнечной энергии на небольшой, жаростойкий участок, был построен во множестве форм. В это же время начальная стоимость этого оборудования препятствует практическому применению в отоплении дома или использования в виде источника энергии. Больший интерес с точки зрения экономической практичности представляют собой несколько типов панельных гелиоконцентраторов, в которых жидкость нагревается в контакте с поверхностями, которые в свою очередь нагреваются с помощью солнечной энергии, проходящей через одну и более поверхностей из плоского (листового) стекла. Эти стационарные приборы, вертикального или наклонного типа, были экспериментально изучены в нескольких лабораториях и демонстрационно установлены в домах с помощью некоторых исследователей, (Хотель и Ворз, 1942; Телкес, 1950). Исследование, на которых базируется этот документ, включает в себя стационарный наклонный гелиоконцентратор панельного типа, в котором установлено обычное оконное стекло стандартной прочности, которое используется, как теплообменная среда и как «средняя изоляция», которая препятствует уходу тепла в атмосферу.

Цель коллектора – нагревание воздуха, пропуская его между наложенных стеклянных пластин и доставка нагретого воздуха в жилье или в теплоаккумулятор, или в случае кондиционирования, в кондиционер. Согласно этим условиям, цель исследований долговечного гелиоконцентратора - это минимальные расходы и приятный внешний вид.

Несмотря на то, что это не относится к предмету, который описывается в этой статье, несколько остальных, близко связанных фаз разработки были:

  1. Фундаментальное изучение коэффициентов преобразования тепла между воздухом и нагретыми плоскими плитами
  2. Характеристики преобразования тепла и характеристика аккумулирования теплоты слоем 1-дюймового (25.4 мм) гравия.
  3. Проявление характеристик гелиоконцентратора оптимальной конструкции
  4. Эксплуатационные качества гелиоконцентратора при температурах пригодных для кондиционера
  5. Эксплуатационные качества кондиционеров осушающего типа
  6. Дизайн и расчетная сумма для солнечно отапливаемых домов в Денвере, Колорадо и Далласе, Техас.

Этот документ создан на базе разработок связанных с характеристиками самых эффективных форм гелиоконцентраторов для зимнего теплового кондиционирования. Первостепенными задачами было решение взаимоотношений между полезным восстановлением тепла, солнечной интенсивностью, температурой воздуха снаружи, типом и расположением стеклянных пластин на объекте.

Описание аппарата

Для того чтобы функции и расположение гелиоконцентратора были более ясными, общее расположение всей системы солнечного отопления в жилом доме должно быть начерчено. Коллектор пригодного участка располагается на крыше жилого дома вровень с покрытием крыши; воздух циркулирует между стеклянными поверхностями, проходит через трубу выхода к вентиляторам и дальше к комнатам дома или на вершину вертикального бункера хранения 1-1,5 дюймового гравия (2,54 - 38.1 мм). Если воздух направляется в комнаты дома с помощью термоконтроля, он в конце покидает их и холодным воздухом возвращается и проходит через каналы во входное отверстие. Если, тем не менее, тепло было сохранено, воздух после доставки сухого тепла в гравийную подушку, покидает днище бункера и возвращается через каналы к входному отверстию коллектора. Наконец, когда дом нуждается в тепле ночью, воздух вытягивает из комнат и как холодный воздух возвращается по каналам на дно бункера, где нагревается путём прохождения через гравий и выдувается нагнетателем через нагревательный канал в комнаты. Вспомогательный нагревательный канал встроен в систему для использования, когда солнечное тепло недоступно.


Рисунок 1. Гелиоконцентратор


Гелиоконцентратор состоит из сборки единиц 2 Х 4 фута (60 см х 122 см) каждая. Сборка из 4 таких единиц, каждая содержит канавку из тонколистового металла глубиной примерно 4 дюйма (101.6 мм) и конструкцию из стеклянных плит, как показано на рисунке 1.

Основной теплоулавливающий элемент состоит из оконного стекла обычной прочности и размером 2 фута (60 см) Х 18 дюймов (45 см), покрытой черным тепло абсорбирующим покрытием на все 2 фута ширины плиты и на дистанцию 6 дюймов (152.4 мм) из 18-дюймовой длинны. Количество этих пластин поддерживается их углами и установлены на конструкцию с помощью одной или нескольких вариаций поверх черного покрытия так, что одно черное покрытие оказывается под 2-мя чистыми. В только установленной конструкции пробелы между последующими плитками составляют ¼ дюйма. На обоих концах конструкции 6 и 12 дюймовые (152.4 и 30.48 см) платы устанавливаются так, чтобы добиться равномерного воздействия на черные пластины. Поверх всей последовательности налагающихся пластин и достигания высоких граней желобов используется лист стекла 2 х 4 фута (60 см х 122 см). В разных случаях использовались 2 или 3 таких покрывающих пластин.

Тепло поглощающая поверхность использует матовую поверхность из черного стекла сплавленного с поверхностью окна.

Основные принципы расположения пластин и теории их функций впервые описаны с помощью Миллера (1943) и это подобно парниковому эффекту. Этот эффект зависит от факта прозрачности стекла и коротких инфракрасных волн, которые составляют преобладающую часть солнечного света и непрозрачности к длинным инфракрасным волнам такими как возникающими в черных телах ниже 500 фаренгейт. Когда солнечный свет входит в застекленный корпус, он сталкивается с содержимым, поглощается, посредством этого нагревая внутренние поверхности, которые потом выделяют низкую температуру и длинноволновая энергия остается замкнутой внутри стеклянного корпуса. Таким образом, когда гелиоконцентратор, открытый для солнечной радиации, черное покрытие нагревается, повышая температуру до около 300 фаренгейт. Эта поверхность будет излучать тепло на чистую поверхность наверху, и нагревать её до более низкой температуры, такой как 200 Фаренгейт. Эта поверхность тоже будет отдавать тепло на ещё одну более высокую поверхность, нагревая её до еще более низкой температуры – скажем 100 фаренгейт и наконец эта поверхность будет нагревать покрывающую пластину на температуру чуть выше температуры окружающей атмосферы.

Рисунок 2. Схематический чертеж гелиоконцентратора

На чертеже: Heat exchanger - теплообменник

Blast gates – ударные створки

Upper end elevation – вид сверху

Upper header – верхняя головка

Thermocouples - термоэлементы

Collector - коллектор

Insulation - изоляция

Rotameter – ротаметр (расходометр)

Blower - нагнетатель

Side elevation – вид сбоку


Из-за симметричности конструкции эта вертикальная шкала температуры повторяется в каждой плите; таким образом воздух проходя между 2-мя смежными плитами встречает прогрессивное повышение температуры до тех пор пока не покидает чёрную поверхность на максимальной температуре.

Низкая скорость воздуха (около 1фт/с) представляет очень малую турбулентность между пластинами, таким образом образуя малую потерю при теплообмене между пластинами. Следовательно, правильные факторы способствующие потери тепла конструкции являются плита-к-плите излучающая передача, описанная выше, и чрезвычайно чистой теплопроводимости через воздушный поток и стеклянные пластины. Из-за расположения черных и чистых стеклянных зон, становится возможным нагревать воздух до температуры приближающейся к температуре черной поверхности.

Собранный опытный гелиоконцентратор использующийся для изучения работы представлен на рис.2. Гелиоконцентратор, собранный с наклоном на 27° на юг, состоит из 16 раздельных желобов размером 2Х4 фута. Они располагаются в 4 линии по 4 конструкции каждая. 2 теплообменника из ребристой трубы применяются в воздушной циркуляции для термоконтроля. Нагнетатель с плоскими лопастями центробежного типа используется для циркуляции воздуха.

Гелиоконцентраторы поддерживаются сверху и сбоку деревянными стропилами. Изоляция из стекловаты используется под желобами коллектора и на всех воздушных каналах.

В большинстве тестов, каждая из четырех линий использовалась с разным расположением покрывающих пластин. В двух каналах, использовалось стекло обычной крепости, один был сделан с одной покрывающей пластиной, другой с двойными покрывающими пластинами разделенными ¼ дюймовым (2,54 мм) воздушным пространством. В двух других специально обработанное стекло использовалось по всей длине; на одном использовалось стандартное покрытие, на другом двойное. Обработка стекла включает покрытие пленкой диоксида кремния, толщиной в ¼ длинны волны. Этот процесс протравки изобретенный RCA (Никалл, 1942) для снижения отражения поверхности, был принят крайне удовлетворительным.

Контрольно-измерительная аппаратура состоит из 4 ротаметров, по одному на линию; термоэлементы установлены на входе каждой линии и на выходе соединения каналов от верхнего конца до горячего коллектора. Створки ворот поставленные на входе ротаметра служат для контроля скорости циркуляции воздуха.

Другие устройства использующиеся в гелиоконцентраторе являются пиргелиометр Эппли для измерения солнечной энергии при угле 27°, самописец Леедса и Норзрапа для этого устройства, и 12 позиционный самописец для температур проходящих через конструкцию.

Экспериментальная процедура

Исследования показали, что с текущим расположением гелиоконцентратора может использоваться 2 фазы, которые включают зимние операции с нагревом дома, в которых воздух рециркулирует через конструкцию на умеренной или высокой температуре, это значит, что изменения кондиционирования нужны, чтобы можно было получить воздушное кондиционирование. Тем самым простейшие процедуры, которые применялись в этих 2х испытаниях которые незначительно отличаются; техники применялись в нагревательном анализе, который описан здесь.

Общая процедура состоит из использования гелиоконцентратора в облачную погоду так же хорошо как и в солнечные дни, что измеряется измерением теплообмена, который должен быть образцом и получается в течение сезона нормальной работы. В течение дневной работы гелиоконцентратора, замеры температуры воздуха на входе и выходе всех четырех линий постоянно замеряются. Скорость воздушного потока остается постоянной и одинаковой в каждой из четырех линий, как указано ротаметрами. Солнечная интенсивность постоянно записывается на пиргелиометр, расположенный на 27 градусов к югу.

Операция по каждому запуску коллектора состоит из запуска нагнетателя утром, как только температура воздуха покидающего гелиоконцентратор становится выше примерно 80 по фаренгейту. Клапаны-створки на входе каждой линии выверены на заранее установленный воздушный уровень. Как только входящий воздух возрос до 65 по фаренгейту, охлаждающая вода пошла через 2 теплообменника и установила водный уровень, так что воздух входящий в коллектор будет оставаться на 65 по фаренгейту (температура при которой воздух будет циркулировать из дома в коллектор зимой).

В зависимости от вариаций уровня воздушного потока и температуре входящего воздуха, экспериментальные результаты могут быть получены в зависимости от восстановления тепла и температур на выходе и находящиеся под влиянием уровня входящей солнечной энергии, уровня воздуха, расположения покрывающих плит, температуры входящего воздуха, температуры атмосферного воздуха, времени суток и отражаемости стекла. Экспериментальные данные были получены при уровнях воздушного потока: 0,40;0,76;1,12;1,43; и 1,82 стандартных кубических футов на квадратный фут площади гелиоконцентратора. Имеется ввиду дневная температура окружающего воздуха, которая варьируется от 0 до 65 по фаренгейту (-17.7° С - 18.3° С) тогда как полная дневная солнечная радиация варьируется от 400 до 2,800 БТЕ / кв. фут площади гелиоконцентратора. (БТЕ – британские тепловые единицы).

Обсуждение результатов

На рисунке 3 изображены результаты изменения дневной работы двух линий. На график нанесены, согласно времени, температура входящего и исходящего воздуха, восстановление тепла и солнечная радиация. Эти данные были получены 16 апреля 1951 года, ясным днём, при температуре окружающего воздуха 44 по фаренгейту и уровне воздуха 1,12 куб. фт (замерено при давлении 760мм и температуре 70 Ф) /мин./ кв. фт. площади гелиоконцентратора. Температура входящего воздуха удерживается на отметке в 65 фаренгейт. Полезное восстановление тепла происходит достигается выше 70 по фаренгейту, всякий раз, когда температура исходящего воздуха из коллектора была по крайней мере 80 Ф, минимальная температура при которой тепло может быть экономично восстановлено. Барометрическое давление в гелиоконцентраторе было где-то примерно 630 мм.

Рисунок 3 - Участок восстановления тепла и исходящая температура воздуха в сравнении с временем дня. Перемещение 123. Уровень воздуха = 1,12 кб. футов в минуту/кв. фут. Значение температуры окружающего воздуха – 44 по фаренгейту. Полная дневная солнечная радиация = 2767 британских тепловых единиц/кв. фут.

На рисунке:

Outlet air temp. – температура исходящего воздуха

Heat recovered – восстановление тепла

Double cover plates – двойные покрывающие плиты

Single cover plates – одинарная покрывающая плита

Ordinary glass – обычное стекло

Inlet air temp. – температура входящего воздуха

Time of day – время дня

Heat recovered and incident energy – BTU/FT2 - восстановление тепла и падающая энергия – БТЕ/кВ. Фут


Как мы можем видеть, согласно графику, исходящая температура и восстановление тепла обоюдно возрастает от относительно низких величин ранним утром до максимальных величин к примерно 13:00 и потом падает до низких величин после обеда. Графики температуры и тепловосстановления не достигают максимума в полдень, как происходит с солнечной энергией из-за чувствительного теплохранилища в стекле и остальных компонентов гелиоконцентратора. Более широкие варианты температуры и тепловосстановления конечно делают соответствующие изменения солнечной интенсивности в течении дня; Если задано, вариации температуры может быть уменьшено с помощью подгонки воздушного уровня от времени к времени и это предпочтительней чем держать её постоянной. Эффективность тепловосстановления может быть отображена заметкой того, что зона под каждым графиком тепловосстановления поделенная на общую зону под графиком солнечной радиации эквивалентна эффективности.

На рисунке 4 показано изменение характеристик линии, оборудованной обычным стеклом и одинарными покрывающими плитами, которые работают при уровне воздушного потока 1,12 кб. футов в минуту/кв. фут площади гелиоконцентратора. Восстановление полезного тепла нанесено на график против дневной радиации, с температурой окружающего воздуха как параметром. Каждый пункт на графике представляет ход в течении дня; температура окружающего воздуха, которое рассматривает бюро погоды для 24-часового периода начинается в полночь. Линии через точки данных показывает, что тепловосстановление возрастает линейно вместе с повышением солнечной энергии. Легко показать эффективность – восстановленное тепло разделить на полную энергию, это не постоянная величина, но варьируется вместе с полной дневной энергией и температурой окружающего воздуха.

Из теоретических соображений свидетельством является то, что средняя температура окружающего воздуха является пригодным параметром корреляции тепловосстановления. Позже гелиоконцентратор открывается окружающей среде и в течении ночи температура материалов в гелиоконцентраторе будет достигать температуры окружающего воздуха, или ясной ночью может опускаться ниже температуры окружающего воздуха из-за излучения в атмосферу; днём следуя за холодной ночью важная солнечная энергия будет необходима для нагрева стекла в гелиоконцентраторе до температуры, при которой полезное тепло может быть восстановлено.


Рисунок 4. Корреляция полного дневного тепловосстановления, полная дневная энергия и средняя дневная температура окружающего воздуха для гелиоконцентратора имеющего 4 испарителя, единичную покрывающую плиту из обычного оконного стекла.

На рисунке:

AIR RATE =1.12 CFM/FT.2 COLLECTOR AREA – Уровень воздушного потока 1,12 куб.фт/кВ. Фт площади гелиоконцентратора

USEFUL HEAT RECOVERY - Полезное восстановление тепла

DAILY MEAN AMBIENT AIR TEMPERATURE - Средняя дневная температура окружающего воздуха.

TOTAL DAILY INCIDENT ENERGY – Полная дневная падающая энергия


Также, при низкой температуре , потери энергии и теплопроводимости будут выше чем в теплую погоду. Если теплый день следует за теплой ночью, потери чувствительности теплового потока в коллекторе, а также энергии и теплопроводности будут меньшими, поэтому будет сохранено больше полезного тепла на единицу солнечной радиации. Как мы видим на графике 4, потери энергии и теплопроводности в течении дня, и чувствительность запаздывания теплового потока исходят из температуры окружающего воздуха прошлой ночью, такая как для одной полной дневной солнечной энергии и воздушного потока, полезное восстановление тепла возрастает линейно вместе с средней температурой окружающего воздуха.

Как мы видим на графике 4, экспериментальные точки в общих чертах показывают изменения от среднего около 5%. Во всех случаях несовместимости, изменения могут быть приписаны к любому из следующих факторов;

  1. Средние температуры окружающего воздуха (средние из высоких и низких температур за 24-часовой период, начинаются в полночь) выданные погодным бюро не отображает среднюю температуру на протяжении дня и предыдущей ночи. Например может быть 24-часовой период в который температура окружающего воздуха была выше днем и предыдущей ночью , но была ненормально низкой в течении раннего вечера следуя за дневной работой гелиоконцентратора.
  2. Низкое облачное небо, при котором случай потери солнечной энергии из покрывающих панелей гелиоконцентратора будет ниже, чем в течении солнечного дня.
  3. Ненормально сильные ветры приводят к большим потерям проводимости. Однако, даже с этими изменениями, данные показывают максимальное отклонение в примерно 10%

Рисунок 5. Корреляция показывает тепловосстановление как функцию воздушного потока, типа стекла и расположения покрывающих панелей для гелиоконцентратора, имеющего 4 испарителя.

На рисунке:

TOTAL DAILY INCIDENT ENERGY - Полная дневная падающая энергия

MEAN AMBIENT AIR TEMP. – Средняя температура окружающего воздуха

USEFUL HEAT RECOVERY- BTU/FT2 DAY – Полезное тепловосстановление – БТЕ/ кВ. фт в день

COVER PLATE - NON-REFLECTIVE GLASS – покрывающая панель с неотражающим стеклом

ORDINARY GLASS – обычное стекло

AIR RATE – CFM/FT2 COLLECTOR AREA – Воздушный поток – куб. Фт в минуту/ кВ. фт гелиоконцентратора


Отношение между полезным тепловосстановлением, уровнем воздушного потока, расположением панелей покрытия и обычным и неотражающим стеклом для полной дневной солнечной энергией в 2,200 БТЕ/кВ.фт. и средней температурой окружающего воздуха в 40 фаренгейт отображается на рисунке 5. Видно, что полезное тепловосстановление повышается как повышается уровень воздушной циркуляции и это является важным различием в изменении линий гелиоконцентратора имеющих разное расположение панелей покрытия и обычное или неотражающее стекло. Факт того, что тепловосстановление возрастает вместе с уровнем воздушной циркуляции, исходит от низких исходящих температур и температур стекла и передает снижение потерь тепла из охладителя гелиоконцентратора. Как мы видим на рисунке 5, тепловосстановление при данном уровне воздуха больше для гелиоконцентраторов с неотражающим стеклом чем для гелиоконцентраторов с обычным стеклом. Разница может быть приписана к высшему коэффициенту пропускания неотражающего стекла.

Замечено, что восстановление тепла для линии имеющей одинарные панели покрытия и неотражающее стекло (график 1) выше чем для линии имеющей двойное покрытие и неотражающее стекло(график 2) при уровнях воздуха выше чем 1,5 куб.фт. в минуту/кВ. фт гелиоконцентратора и при уровнях воздуха ниже этого значения восстановления меняют значение на обратное. Это можно объяснить разбором относительной магнитуды энергии и потерями при отражении из гелиоконцентратора. При низких уровнях воздушного потока, при которых преобладает высокая температура покрытия, потери при отражении для двойного покрытия относятся меньше к большим потерям энергии от одиночных панелей. При высоких уровнях воздуха и соответственно низкой температурой панели, изменение значения верно.

Наблюдается, что тепловосстановление для линии имеющей одинарную панель и обычное стекло( график 4 ) ниже, чем у линии имеющей двойное покрытие и обычное стекло( график 3) над всем диапазоном воздушных уровней. Это можно объяснить разбором относительной магнитуды энергии и потерями при отражении из гелиоконцентратора. В контрасте к относительно низким потерям при отражении с неотражающим стеклом, обычное стекло показывает относительно высокие потери сравнивая с энергией и потерями проводимости по всему диапазону показанных воздушных уровней.

Хотя финальный выбор расположения панелей покрытия и типа используемого стекла в гелиоконцентраторе будет зависеть от результатов экономического баланса, это мысль, что возможный желательный тип расположения будет достигнут с использованием одинарных панелей покрытия и неотражающего стекла. С этим расположением панелей и при уровне воздуха в 1,5 куб.фут в минуту/кВ. фт площади коллектора, который является примерным диапазоном операции, которая будет возможно использована для коммерческой работы, тепловосстановление солнечным днем при средней температуре в 40 фаренгейт будет около 50% от полной дневной уходящей энергии.

Предполагается, что максимальная ошибка в решении полной дневной падающей энергии 2%. Калибровка термоэлемента используется для всех замеров температуры показавших макс. ошибку в 2%. Четыре измерителя скорости потока калибруются с позитивным перемещением газомера, который показывал максимальную процентную ошибку 4% при применении низшего воздушного уровня. Это предполагает, что тепловосстановления изменяются не более чем на 5% от их настоящих значений.

Выводы

Изучение изменений гелиоконцентраторов от перекрытий из стеклянных панелей дало следующие выводы:

  1. Гелиоконцентратор был изобретен такой, чтобы мог быть построен на заводской основе и подходит для установки в новое жилище без большой работы на участке.
  2. При индивидуальном воздушном уровне и полной солнечной дневной энергии восстановление полезного тепла возрастало примерно линейно вместе с средней температурой окружающего воздуха.
  3. При индивидуальном воздушном уровне и средней температуре окружающего воздуха, восстановление тепла повышается линейно вместе с повышением полной дневной солнечной энергии.
  4. При индивидуальной полной дневной солнечной энергии и средней температуре окружающего воздуха восстановление тепла возрастает вместе с воздушным уровнем.
  5. Восстановление тепла для линии в том случае, если с одинарной панелью покрытия и неотражающим стеклом выше, чем в том случае, если для линии с двойным покрытием и неотражающим стеклом при воздушных уровнях выше чем 1,5 куб.фт. в минуту/кВ. фт гелиоконцентратора; при воздушных уровнях ниже значения – значения становятся обратными.
  6. Восстановление тепла для линии имеющей двойное покрытие с обычного стекла выше, чем у линии имеющей одинарное покрытие на всём диапазоне изучения воздушных уровней.
  7. Тепловосстановление на линии имеющей неотражающее стекло заметно выше чем на линии имеющей обычное стекло.
  8. С спецификой конструкции коллектора, нагретый воздух колеблется в диапазоне средней температуры от 120 до 180 фаренгейт эффективность тепловосстановления приближается к 50% и может быть доставлена в жилище солнечными зимними днями при 40° широты.

Благодарности:

Авторы хотят прежде всего выразить признательность великодушной поддержке программе солнечной энергии компании Американские Оконные Стекла из Питтсбурга, Пенсильвания и мистеру Крандону, мистеру Макинтошу и доктору Бишопу, который был наиболее полезен с советами и одобрением. Их разрешение опубликовать результаты их исследований также заслуживают отдельной благодарности. Пожертвование мистера Хасенкампа, который помог собрать и упорядочить большинство данных в этой книге также заслуживает благодарности.

Страница основана на основе перевода PDF.

На главную