李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍

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甘南臧區(qū)太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)性能

李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730050；3. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050 4. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050）

中國(guó)藏區(qū)冬季太陽(yáng)能仍然十分豐富，太陽(yáng)能采暖潛力巨大。為了利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)清潔供暖，以甘肅省合作市上浪坎木村2座含被動(dòng)式陽(yáng)光間建筑面積為170 m2的單體建筑為研究對(duì)象，其中一座使用被動(dòng)式陽(yáng)光間和太陽(yáng)能集熱器循環(huán)加熱采暖，另一座使用被動(dòng)式陽(yáng)光間和牛糞直燃爐采暖，在相同的環(huán)境條件下對(duì)比研究了室內(nèi)熱環(huán)境、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，研究結(jié)果表明：在48 d的測(cè)試期內(nèi)，太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)中客廳溫度47 d高于14 ℃，只有1 d室內(nèi)最低溫度為13.3 ℃，太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)很好地滿足了建筑采暖需求，被動(dòng)式陽(yáng)光間和牛糞直燃爐聯(lián)合采暖室內(nèi)溫度不均勻，溫差大，客廳溫度普遍低于12 ℃；太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)比被動(dòng)式陽(yáng)光間和牛糞直燃爐聯(lián)合采暖每個(gè)采暖季節(jié)省標(biāo)煤4.3 t，可減少CO2、粉塵、SO2、NOx排放量依次為10.7，2.92，0.322和0.161 t，動(dòng)態(tài)投資回收期4.9 a，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，可用于指導(dǎo)不同地區(qū)太陽(yáng)能主被動(dòng)結(jié)合供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用。

太陽(yáng)能；采暖；溫度；陽(yáng)光間；熱舒適性；熱經(jīng)濟(jì)性

0 引 言

近年來(lái)由于全球環(huán)境的持續(xù)惡化，節(jié)能減排越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。隨著中國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)和人民生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越注重舒適的室內(nèi)生活環(huán)境，但隨之而來(lái)的是農(nóng)村建筑能耗的不斷增加。據(jù)國(guó)家部門(mén)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)目前建筑能耗已經(jīng)占到社會(huì)總能耗的33%，可以折算成11億t標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)能以其資源豐富，無(wú)需開(kāi)采和運(yùn)輸以及清潔性越來(lái)越成為人們青睞的可再生能源[1-3]。中國(guó)西北地區(qū)因其太陽(yáng)能資源豐富，被動(dòng)式太陽(yáng)房得到了廣泛的應(yīng)用，但由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性引起太陽(yáng)能的利用率較低從而導(dǎo)致采用被動(dòng)式太陽(yáng)能供暖房間熱穩(wěn)定性和熱舒適性不高[4]。因此，高效合理地利用太陽(yáng)能滿足當(dāng)?shù)鼐用癫膳媚芎褪覂?nèi)舒適度的要求，對(duì)提高居民生活質(zhì)量和改善自然環(huán)境都具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用太陽(yáng)能采暖方面都已做了大量的研究。國(guó)外學(xué)者Badescu等[5]通過(guò)對(duì)一棟2層的主被動(dòng)結(jié)合的復(fù)合式被動(dòng)式太陽(yáng)房利用主動(dòng)式太陽(yáng)能熱水供暖與熱水供應(yīng)2種方案的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)整棟建筑50%～80%的熱需求。并對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型最終得到該系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率0.180～0.679。Rekstad等[6]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了被動(dòng)式采暖建筑的太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖和空氣-水源熱泵供暖能耗情況，結(jié)果表明太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖能耗比空氣-水源熱泵供暖低15%～20%。Liu等[7]研究了在同一座高原地區(qū)建筑的條件下，對(duì)比3種不同供暖方式的供暖熱效果，結(jié)果表明主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖的效果最好，其室內(nèi)平均溫度要比被動(dòng)式供暖條件下的室內(nèi)平均溫度高出6 ℃。Li等[8]對(duì)比研究了太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖與傳統(tǒng)鍋爐供暖室內(nèi)溫度和室內(nèi)舒適度，得到在室外最低溫度為?16.2 ℃時(shí)，太陽(yáng)能供暖的室內(nèi)平均溫度和平均輻射溫度分別高出對(duì)比建筑5.4和3.3 ℃。國(guó)內(nèi)學(xué)者王武等[9]提出了一種主、被動(dòng)結(jié)合的太陽(yáng)能空氣采暖模型，通過(guò)借助TRNSYS仿真平臺(tái)得到在白天平均環(huán)境溫度為3 ℃時(shí)，南北向的房間溫度都可達(dá)到20 ℃。于濤[10]在北京地區(qū)構(gòu)建一套主被動(dòng)結(jié)合采暖系統(tǒng)，利用DeST軟件分析了太陽(yáng)房的影響因素、確定了太陽(yáng)房的最佳運(yùn)行方式、計(jì)算了太陽(yáng)房采暖季的節(jié)能貢獻(xiàn)率為38.9%。鄭豪放[11]將太陽(yáng)能空氣集熱墻被動(dòng)采暖系統(tǒng)與太陽(yáng)能炕主動(dòng)采暖系統(tǒng)結(jié)合對(duì)青海一處民居進(jìn)行研究，結(jié)果表明：空氣集熱器可將日間室內(nèi)平均氣溫提高4～6 ℃，夜間炕表面溫度大部分時(shí)間可維持在30 ℃以上，完全滿足睡眠熱舒適度的要求。陳明東等[12]通過(guò)對(duì)青島地區(qū)附加陽(yáng)光間型太陽(yáng)房及相同結(jié)構(gòu)的對(duì)比房室內(nèi)溫度及室外溫度參數(shù)的監(jiān)測(cè)，研究了寒冷季節(jié)室內(nèi)溫度隨室外氣象條件變化的情況。結(jié)果表明在室內(nèi)無(wú)熱源及輔助熱源條件下，附加陽(yáng)光間型太陽(yáng)房室內(nèi)平均空氣溫度比對(duì)比房室內(nèi)平均空氣溫度高3.8 ℃，最高溫差達(dá)7.2 ℃，最低溫差1.1 ℃。楊婷婷等[13]對(duì)在石河子地區(qū)搭建一種淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的被動(dòng)式太陽(yáng)房進(jìn)行了供暖測(cè)試研究，得到在晴天時(shí)全天溫度基本處于9.4～13 ℃，且白天有5 h室內(nèi)溫度超過(guò)12 ℃。

綜上所述，現(xiàn)有的太陽(yáng)能供暖技術(shù)普遍存在運(yùn)行不穩(wěn)定、室內(nèi)溫度低、以及成本高等問(wèn)題。目前在實(shí)際工況下針對(duì)中國(guó)藏區(qū)農(nóng)村建筑的太陽(yáng)能主被動(dòng)結(jié)合供暖研究還很少，為此，本文以甘肅省合作市藏族地區(qū)的一座農(nóng)村單體建筑為研究對(duì)象，搭建了太陽(yáng)能主被動(dòng)結(jié)合供暖系統(tǒng)，散熱末端采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，重點(diǎn)考察了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及風(fēng)速等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)供能性能的影響規(guī)律，為太陽(yáng)能主被動(dòng)結(jié)合供暖在西北農(nóng)村地區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本文選取位于甘肅省甘南藏族自治州合作市上浪坎木村（N34°59￠，E103°4￠）的2座結(jié)構(gòu)相似的單體建筑為研究對(duì)象。該地區(qū)海拔3 200 m，全年光照充足，熱工分區(qū)屬嚴(yán)寒地區(qū)，冷季長(zhǎng)，暖季短，年均氣溫0.5~3.5 ℃，年最低氣溫可達(dá)?23 ℃，供暖期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。試驗(yàn)建筑在原有附加陽(yáng)光間基礎(chǔ)上搭建了主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，建筑結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)比建筑采用附加陽(yáng)光間與牛糞爐聯(lián)合采暖。兩座建筑的附加陽(yáng)光間均為單層玻璃，布置在南向和頂部，試驗(yàn)建筑面積170 m2，使用面積為136 m2（含被動(dòng)式附加陽(yáng)光間），采暖面積60 m2，建筑高2.8 m，附加陽(yáng)光間面積41 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成及面積見(jiàn)表1和表2，室內(nèi)采用太陽(yáng)能低溫地板采暖，熱水盤(pán)管分別布置在客廳、臥室地面及炕面。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)有7組全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器，集熱面與地面夾角45°，正南放置，每組集熱器由30支長(zhǎng)1.8 m、直徑0.058 m的全玻璃真空管組成，集熱面積為20.2 m2，太陽(yáng)能系統(tǒng)采暖圖如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)建筑平面圖

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積及傳熱系數(shù)

1. 太陽(yáng)能集熱器 2、9. 閥門(mén) 3、4、5.供暖循環(huán)泵6、7、8. 地暖盤(pán)管 10. 渦輪流量計(jì) T1、T2、T3.溫度傳感器

1.2 測(cè)試方案及儀器

根據(jù)GB 50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 15405-2006《被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)與熱性能測(cè)試方法》的要求測(cè)試，測(cè)試儀器參數(shù)如表3所示。

測(cè)試內(nèi)容：室內(nèi)外溫濕度、室內(nèi)外風(fēng)速，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等參數(shù)，具體測(cè)點(diǎn)位置：①客廳溫度測(cè)點(diǎn)布置在客廳對(duì)角線上的三等分點(diǎn)處，且分別固定在地板表面和距地面0.1、0.6、1.1、1.7 m處。②太陽(yáng)輻射儀布置于房頂與水平面夾角45°且沒(méi)有物體遮擋處。③室外溫度測(cè)點(diǎn)布置于室外通風(fēng)處且應(yīng)避免太陽(yáng)直接照射。

表3 測(cè)量?jī)x器及參數(shù)

測(cè)試時(shí)間為2018年3月20日至2018年5月8日，以上參數(shù)均采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集和記錄，掃描間隔為10 s。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)

蓄熱水箱能量平衡關(guān)系[14]

式中為儲(chǔ)熱水箱水的質(zhì)量，kg；T為供暖水箱溫度，℃。

1.3.2 建筑耗熱量計(jì)算

根據(jù)《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[15]計(jì)算冬季建筑耗熱量，即

式中H，HT，INF，IN分別為某一天的建筑耗熱量、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑物內(nèi)部得熱量，W。

建筑物內(nèi)部得熱量一般包括人體散熱量、炊事和照明散熱量，一般散熱量不大且不穩(wěn)定，故可忽略不計(jì)[17]。

1.3.3 附加陽(yáng)光間式太陽(yáng)房所需輔助熱量

式中SHF為太陽(yáng)能供暖率；NLC為太陽(yáng)房?jī)糌?fù)荷系數(shù)，kJ/(℃·d)；DD14為采暖度日數(shù)，其數(shù)值為基礎(chǔ)溫度14 ℃和該日室外日平均氣溫的差值，其單位為℃·d。

2 結(jié)果與分析

2.1 采暖系統(tǒng)供暖穩(wěn)定性分析

中國(guó)藏區(qū)冬季氣候干燥寒冷，晝夜溫差較大，雨雪天氣較多。為分析該系統(tǒng)在嚴(yán)寒藏區(qū)的供能穩(wěn)定性，對(duì)該建筑采暖熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，參考文獻(xiàn)[15]，其值一般包括基本散熱損失和冷風(fēng)滲透損失[15]，取該試驗(yàn)建筑冬季采暖室內(nèi)溫度t=14℃[19]，當(dāng)?shù)囟臼彝庥?jì)算溫度為 ?3.4 ℃[20]。根據(jù)公式（7）計(jì)算得試驗(yàn)建筑單位面積供暖輔助熱量aux=39.5 W/m2。如圖3所示為全部測(cè)試期內(nèi)連續(xù)48 d的單位面積太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖日供熱量和日平均輻照強(qiáng)度的變化情況。從圖3中可以看出：主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖供熱量的最大值102.6 W/m2，平均值為57 W/m2，在全部測(cè)試期間內(nèi)除連續(xù)3 d極端天氣外，其余時(shí)間供熱量都能滿足需熱量要求。

圖3 太陽(yáng)能主動(dòng)式采暖系統(tǒng)供熱量和平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度

圖4為全部測(cè)試期間內(nèi)試驗(yàn)建筑與對(duì)比建筑客廳在不同溫度范圍內(nèi)的時(shí)間相對(duì)總測(cè)試時(shí)間的占比情況，從圖4中可以看出試驗(yàn)建筑客廳溫度在試驗(yàn)期間幾乎全部時(shí)間都高于14 ℃，占了總時(shí)間的95%，在連續(xù)3 d極端雨雪天氣情況下由于建筑良好的蓄熱特性可以減少建筑散熱，使得室內(nèi)溫度只有1 d不能滿足室內(nèi)溫度t=14 ℃的要求，最低溫度達(dá)到13.3 ℃；而對(duì)比建筑在測(cè)試的大部分時(shí)間里溫度都在低于12 ℃范圍，占總時(shí)間的77.9%，高于14 ℃的僅占8.6%，由此表明：除在個(gè)別的連續(xù)極端天氣外，在極大部分的時(shí)間里，主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖可以很好的滿足建筑供暖需求，說(shuō)明該系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾性和較好供暖穩(wěn)定性。

圖4 室內(nèi)溫度時(shí)間占比

2.2 室內(nèi)外溫度對(duì)比分析

測(cè)試采用連續(xù)測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)間為2018年3月20日至2018年5月8日。選取3月26、27日運(yùn)行情況較好的數(shù)據(jù)，以客廳為代表房間對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行分析，試驗(yàn)組采用太陽(yáng)能主動(dòng)供暖，供暖時(shí)間為18:00至次日08:00，對(duì)照組采用牛糞爐供暖。圖5是試驗(yàn)建筑和對(duì)比建筑室內(nèi)溫度與室外環(huán)境溫度的變化曲線。

圖5 室內(nèi)與環(huán)境溫度（2018-03-26—27）

由圖5可知室外環(huán)境溫度在?8.6～11.9 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，試驗(yàn)建筑客廳平均溫度為16.3 ℃，比對(duì)比建筑高7.3 ℃，兩座建筑室內(nèi)最高溫差達(dá)11.5 ℃，試驗(yàn)建筑室內(nèi)最高溫度為18.2 ℃，溫度波動(dòng)幅度為4.3 ℃；對(duì)比建筑室內(nèi)最高溫度為17.4 ℃，溫度波動(dòng)幅度為13.2 ℃。由此表明，試驗(yàn)建筑客廳溫度達(dá)到了GBT50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[20]規(guī)定的14 ℃的要求，對(duì)于附加陽(yáng)光間式太陽(yáng)房采用太陽(yáng)能主動(dòng)供暖比采用牛糞爐直燃供暖房室內(nèi)溫度波動(dòng)性更小，溫度變化更穩(wěn)定，極大的改善了藏區(qū)民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境。

2.3 室內(nèi)豎直高度方向溫度分析

圖6所示為2018年3月30日兩座建筑在豎直方向上不同高度處的溫度分布情況。由圖6可知，對(duì)于采用牛糞爐直燃采暖的對(duì)比建筑，豎直方向溫度分布不均勻，分層現(xiàn)象明顯，豎直方向溫度最大溫差為5.3 ℃；而對(duì)于采用地板輻射采暖的試驗(yàn)建筑，豎直方向溫度分布較均勻，最大溫差僅為1 ℃，空氣對(duì)流較弱且溫度從下至上逐漸降低，在供暖時(shí)地面溫度有較明顯的溫升，給人一種腳暖頭涼的舒適感。相比于傳統(tǒng)牛糞爐直燃采暖，此種采暖方式室內(nèi)舒適度更高。

圖6 豎直高度溫度分布(2018-03-30)

2.4 水暖炕溫度分析

如圖7所示，根據(jù)藏區(qū)農(nóng)戶的生活習(xí)慣，晚上休息時(shí)間通常為20:30左右，選擇在2018年3月27日晚19:00至次日08:00的這段時(shí)間里對(duì)炕面溫度、室內(nèi)溫度、室外環(huán)境溫度變化曲線進(jìn)行分析得出：在睡眠休息期間，室外環(huán)境溫度在?8.6～1.7 ℃范圍變化，水暖炕的炕面平均溫度22.3～34.7 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，在22:00時(shí)到達(dá)最大值，為34.7 ℃。所以當(dāng)居民在睡眠時(shí)人體所處的睡眠環(huán)境在夜間睡眠舒適溫度29～34 ℃的范圍之間[21]，因此，水暖炕在夜間為室內(nèi)供暖的同時(shí)也可以很好地保障人的睡眠熱舒適度。另外，該水暖炕是在原有火炕的基礎(chǔ)上改造的，若在炕面下鋪設(shè)蓄熱材料可以使炕有更好的蓄熱性能，溫度變化幅度更小。睡眠熱舒適度會(huì)得到進(jìn)一步 提高。

2.5 太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益分析

圖7 室內(nèi)溫度、室外環(huán)境溫度、炕面溫度變化（2018-03-27）

根據(jù)資料按1 kg煤炭燃燒產(chǎn)生CO2為2.49 kg、粉塵為0.68 kg、SO2為0.075 kg、NOx為0.0375 kg計(jì)算[24]，每戶每個(gè)采暖季可少排放CO2、粉塵、SO2、NOx依次分別為10.7，2.92，0.322，0.161 t，節(jié)能減排效益非常顯著。

2.6 供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

該系統(tǒng)是在原有被動(dòng)式太陽(yáng)房基礎(chǔ)上進(jìn)行改造：增加了7組太陽(yáng)能集熱器，并在地面鋪設(shè)了地暖。7組太陽(yáng)能集熱器價(jià)格為13 650元，地暖鋪設(shè)費(fèi)用為50元/m2，再加上連接管道和閥門(mén)等配件，整個(gè)系統(tǒng)總投資為17 875元，假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行期間每年現(xiàn)金流量相等，凈現(xiàn)值NPV計(jì)算公式為

式中CI、CO為第年的現(xiàn)金流入、流出；為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，取5.5%。

動(dòng)態(tài)投資回收期P，指收回成本所需年數(shù)，按下式計(jì)算。

式中為累計(jì)效益凈現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份；為第-1年累計(jì)效益凈現(xiàn)值的絕對(duì)值；為第年累計(jì)效益凈現(xiàn)值。

系統(tǒng)每年效益為4 300元，系統(tǒng)安裝后每年除日常維護(hù)外不需要其他額外投入，故第2年后成本可計(jì)為0元，各參數(shù)取值如表4所示，假設(shè)系統(tǒng)的使用壽命為15 a，通過(guò)計(jì)算得該系統(tǒng)的凈現(xiàn)值>0，動(dòng)態(tài)投資回收期為4.9 a，證明了該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面是可行的，收益是可觀的。

表4 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算表

3 結(jié) 論

結(jié)合甘南藏區(qū)民居特點(diǎn)，通過(guò)在原有附加陽(yáng)光間太陽(yáng)房基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖改造，并與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行良好，并可以得出以下結(jié)論：

1）在48 d的測(cè)試期間內(nèi)，試驗(yàn)建筑溫度基本都高于14 ℃，占總測(cè)試時(shí)間的95%，系統(tǒng)的供熱量除在個(gè)別極端天氣外，都可以很好滿足建筑的供暖需求，表明系統(tǒng)的供能穩(wěn)定性較好，抗干擾能力較強(qiáng)。

2）當(dāng)室外環(huán)境最低溫度為–8.6 ℃時(shí)，附加陽(yáng)光間與主動(dòng)式太陽(yáng)能結(jié)合供暖建筑室內(nèi)客廳平均溫度為16.3 ℃，比對(duì)比建筑高7.3 ℃，兩座建筑室內(nèi)最高溫差達(dá)11.5 ℃， 且溫度波動(dòng)較小，豎直高度分布均勻，室內(nèi)熱舒適性好，使藏區(qū)建筑室內(nèi)的熱環(huán)境和居民生活品質(zhì)都有了極大 改善。

3）改造后的建筑完全可以通過(guò)太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖使室內(nèi)溫度到達(dá)14 ℃，且水暖炕溫度可以在夜間睡眠時(shí)維持在22.3～34.7 ℃，該溫度范圍屬于人體睡眠舒適溫度，提高了人們睡眠時(shí)的熱舒適度。

4）改造后的建筑每個(gè)采暖季可以節(jié)省標(biāo)煤4.3 t，可少排放CO2為10.7 t、粉塵為2.92 t、SO2為0.322 t、NOx為0.161 t，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期為4.9 a，節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)性效益明顯，該系統(tǒng)的推廣使用對(duì)改善藏區(qū)環(huán)境有著重要的意義。

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Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong

(1.730050,;2.730050,;3.730050,;4.730050,)

The traditional heating methods in winter, in Tibetan areas in China are relatively backward, and the indoor living environment is poor. Owing to the abundant solar energy in the Tibetan areas of China, the potential of solar heating is huge. In order to use solar energy to achieve the clean heating, two single buildings with a passive sunlight area of 170 m2in Shanglangkanmu, a village of Hezuo in Gansu Province, were studied, as research objects, one of which used passive sunspace and cow dung direct-fired furnace for heating, and the other used passive sunspace and solar collectors for heating. The solar collector system has 7 sets of all-glass vacuum tube solar collectors. The collector surface was placed at an angle of 45° to the ground. It was positioned in the south, and the amount of collectors of each group was 30. All-glass vacuum tube was 1.8 m of length, 0.058 m of diameter, and 20.2 m2ofheat collection area. Under the same environmental conditions, the theoretical and experimental methods were used to compare the indoor thermal environment, systemic economic and environmental benefits. The test time was from March 20thto May 8th, 2018. The indoor and outdoor temperature, indoor and outdoor wind speed, solar radiation intensity and other parameters were investigated. The data were automatically recorded by computer. The research results show that in the 48 d test period, the days of living temperature higher than 14 ℃in experimental building with the solar energy active and passive combined heating system is 47 d, indoor minimum temperature of 13.3 ℃ is for only 1 day, the heat supply of the system in addition to individual extreme weather, can satisfy the heating needs of the building well, indicating that the system's energy supply stability is well, anti-interference ability is strong. When the outdoor environment minimum temperature is-8.6 ℃, the average indoor temperature of experimental building with combined sunspace and active solar heating system is 16.3 ℃, which is 7.3 ℃higher than that of the contrast building, between the two buildings the highest temperature difference is 11.5 ℃, and the temperature fluctuation of the experimental building is small. The temperature in vertical height is evenly distributed, the indoor thermal comfort is well, the temperature of experimental building can completely reach the indoor temperature by 14 ℃through the solar active heating, and the temperature of kang can be maintained at 22.3-34.7 ℃during night sleep time, it belongs to the human body sleep comfort temperature which improves the comfort of people during sleep. The solar energy active and passive combined heating system satisfies the heating demand of the building well. The temperature in contrast building with the passive sunspace and the cow dung direct combustion furnace is nonuniform, the difference of temperature is distinguished, the living room temperature is generally lower than 12 ℃. Compared with the contrast building, the experimental building with solar energy active and passive combined heating system can reduce 4.3 t standard coal in the heating season, which can reduce the CO2,dust, SO2, and NOxemissions by 10.7, 2.92, 0.322 and 0.161 t, respectively. The dynamic investment payback period is 4.9 a. It proves the feasibility, energy saving and economy of the system, and can be utilized to guide the optimal design and popularization of solar energy active and passive combined heating systems in different regions.

solar energy; heating; temperature; sunspace; thermal comfort; thermal economy

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001

TU832.1+2；S210.43

A

1002-6819(2018)-21-0001-07

2018-06-12

2018-08-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFB0905104）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51676094）；甘肅省國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)（1604WKCA009）；蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（2017-RC-34）

李金平，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究。Email：lijinping77@163.com

李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍.甘南臧區(qū)太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(21)：1－7. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong.Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 1－7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org