Кейс‑исследование энерго‑, эксерго‑ и экономической (3E) эффективности солнечных воздухонагревателей с разными геометриями пластин‑крылышек и расходами воздуха

Отопление зданий более разумными солнечными коллекторами

Сохранять тепло в домах и рабочих помещениях без сжигания ископаемого топлива — растущая мировая задача. Один перспективный вариант — солнечный воздухонагреватель: простая коробка на крыше, которая использует солнечный свет для нагрева воздуха и подачи его внутрь. В этом исследовании показано, что небольшие изменения в металлической пластине внутри таких нагревателей могут сделать их не только горячее, но и дешевле в эксплуатации и экологичнее за весь срок службы.

Почему форма внутри корпуса важна

Солнечный воздухонагреватель — по сути неглубокая утеплённая коробка с тёмной металлической пластиной под стеклянным покрытием. Солнечный свет проходит через стекло, нагревает пластину, а вентилятор прогоняет воздух по поверхности, чтобы увести тепло. Проблема в том, что обычные конструкции передают тепло не очень эффективно, и много накопленного тепла теряется прежде, чем его можно использовать. Чтобы исправить это, инженеры делают пластину шероховатой или «структурируют» её с помощью небольших рёбер, реберчатых или крыльев‑пластин, которые перемешивают воздух и улучшают отбор тепла. Авторы работы сосредоточились на двух вариантах пластин: одна покрыта множеством небольших наклонных треугольных крыльев‑пластин, другая — наклонными синусоидальными (гладко волнистыми) крыльевыми элементами. Оба типа тестировали на открытом воздухе в Южной Индии в реальных погодных условиях.

Испытания двух конструкций при реальном солнечном освещении

Команда собрала два полноразмерных нагревателя, идентичных за исключением геометрии внутренней пластины, и установила их рядом согласно международным стандартам испытаний. Воздух нагнетался через каждое устройство тремя разными скоростями потока, соответствующими слабой, умеренной и более интенсивной вентиляции. В течение многих ясных дней исследователи тщательно фиксировали уровень солнечного излучения, температуры на входе и выходе воздуха, температуры пластины и стекла, а также перепад давления, вызванный движением воздуха через нагреватели. По этим данным они вычисляли, какое полезное количество тепла отдаёт каждая конструкция, сколько электрической мощности потребляет вентилятор и сколько тепла уходит через верхнее стекло. Эти измерения также объединили в общий «термогидравлический» показатель, который сопоставляет тепловую отдачу с дополнительным сопротивлением потоку воздуха, создаваемым внутренними крыльевыми элементами.

Более горячий воздух, больше тепла и меньше потерь

Во всех режимах работы нагреватель с наклонными треугольными крыльями‑пластинами давал слегка более горячий воздух на выходе по сравнению с волнообразной конструкцией — до примерно 83 °C при самом низком расходе воздуха. В среднем его температура на выходе была на несколько процентов выше, а коэффициент теплоотдачи (мера того, как быстро тепло переходит от металла к воздуху) примерно на 12% лучше. С увеличением расхода воздуха оба нагревателя выдавали больше тепла в час, но треугольная конструкция постоянно опережала соперника, обеспечивая примерно на 4–6% больше полезной мощности при каждом расходе. Она также теряла меньше тепла через стекло — на порядка 8–10% — поскольку внутренние завихрения лучше уносили тепло в поток воздуха, не давая ему уходить назад. И что важно: с учётом мощности вентилятора треугольный вариант показывал более широкое преимущество по общей термогидравлической эффективности, то есть эффективнее использовал каждый ватт электроэнергии на перемещение воздуха.

Учёт затрат и климатических выгод

Исследователи вышли за рамки простых измерений температуры и мощности и задали вопрос: какая конструкция окупается лучше в течение всего срока службы как в финансовом, так и в экологическом плане? При допущении 20‑летнего срока службы, типичных процентных ставок и реалистичных затрат на производство и обслуживание они рассчитали время энергетической окупаемости (сколько времени требуется, чтобы нагреватель выработал столько энергии, сколько было затрачено на его создание), фактор производства энергии (сколько энергии он отдаёт за жизнь по отношению к первоначальным затратам) и эффективность преобразования за жизненный цикл (насколько эффективно он превращает поступающий солнечный поток в полезное тепло на протяжении десятилетий). По всем показателям преимущество оказалось за треугольной крыльчатой пластиной: она возвращала «вложенную» энергию примерно за 1,3 года вместо 1,6, выдавала больше энергии за весь срок службы и превращала большую долю солнечного потока в полезное тепло. Поскольку ей требовалось меньше резервного питания от традиционных источников, это также связывали с несколько более низкими суммарными выбросами CO2, NOx и SO2 за жизнь системы и с меньшими ежегодными затратами для пользователя.

Что это значит для повседневного использования

Для неспециалиста вывод прост: небольшие внутренние формы, которые вы никогда не увидите, могут заметно повлиять на эффективность солнечного воздухонагревателя. Испытанная здесь треугольная крыльчатая пластина нагревает воздух немного сильнее, теряет меньше тепла и делает это при меньшей нагрузке на вентилятор по сравнению с волнистой альтернативой. За жизненный цикл системы это выливается в более быструю окупаемость, меньшие эксплуатационные расходы и небольшой экологический выигрыш. Хотя обе конструкции лучше, чем обычные плоские пластины, исследование показывает, что продуманное создание турбулентности — с помощью простых металлических «зубцов» на поглощающей пластине — может помочь солнечным воздухонагревателям играть более значительную и экономичную роль в обеспечении комфортных зданий с низким углеродным следом.

Цитирование: Rajendran, V., Aruldoss, W.J., Selvaraj, V.K. et al. A case study assessing energy-exergy-economic (3E) performance in solar air heaters with different winglet geometries and air flow rates. Sci Rep 16, 7658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38467-x

Ключевые слова: солнечный воздухонагреватель, возобновляемое отопление, энергетика зданий, энергоэффективность, конструкция крыльев‑пластин