李潔，武曉偉，姜曙光，徐鑫

(石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832003)

隨著我國城市化進程的不斷加快和人民生活水平的不斷提高,建筑能耗的比例也在不斷增大。在建筑能耗的結構中,大約有75 %的能源用于建筑的采暖、降溫及熱水供應[1],而且我國北方嚴寒地區(qū)供暖地區(qū)在消耗大量傳統(tǒng)能源的同時,更排放了大量的有毒有害氣體,對人民的健康構成了極大的危害[2]。大力開發(fā)利用清潔的可再生能源能有效改善上述情況,其中,將太陽能與建筑有機結合,在滿足人們日常生活需求的同時也大大改善了住區(qū)環(huán)境[3]。

新疆北部地區(qū)位于我國北方嚴寒地區(qū),冬季室外氣溫偏低,采暖負荷較大,能源消耗量大[4],同時,新疆北部地區(qū)太陽能資源豐富,海拔較高、大氣透明度好,這為太陽能的開發(fā)利用提供了有利的條件[5]。近年來,對太陽能在新疆地區(qū)建筑中的應用研究主要集中在被動式太陽房方面[6-7],但被動式太陽房存在穩(wěn)定性差、受氣候條件影響大、效率低等缺點[8]。主被動結合式太陽房的應用不僅能彌補被動式太陽房的缺點,還可以發(fā)揮主動式太陽房的優(yōu)點,提高太陽能在建筑中的利用效率。目前,主被動結合式太陽房的研究多以理論分析為主[9-10],對主被動結合式太陽房實際工程的研究相對較少，因此,本文以新疆嚴寒地區(qū)石河子市某主被動結合式太陽房作為研究對象,對供暖末期采用間歇供暖方式的石河子市某主被動結合式太陽房各系統(tǒng)運行情況及其對室內熱環(huán)境的影響進行試驗研究。

1 試驗部分

1.1 主被動結合式太陽房的組成及工作原理

主被動結合式太陽房在結構上分兩部分,即被動式太陽房和主動式太陽能采暖系統(tǒng)[11]，其中,被動式太陽房有直接受益式太陽房、集熱墻式太陽房、附加陽光間式太陽房3種基本形式[12]，主動式太陽能采暖系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、輔助熱源、儲熱裝置、供暖末端及自控系統(tǒng)五大部分。主被動結合式太陽房為建筑供暖的同時又可為住戶提供生活熱水,是一種清潔、無污染的新型供熱方式[13]。

本文試驗研究選用一種典型的主被動結合式太陽房,其工作原理如圖1所示。運行時,太陽能集熱器吸收太陽輻射能,將采暖系統(tǒng)橫管中的循環(huán)液體加熱,循環(huán)液體將熱量帶回室內的儲熱水箱,地暖側循環(huán)泵將儲熱水箱中的熱量通過地板輻射供暖的方式釋放到室內;集熱墻系統(tǒng)內空氣間層的溫度達到供暖要求時,打開上、下通風口后將空氣間層內的熱空氣流入室內,促進室內循環(huán)對流,集熱墻系統(tǒng)的上、下通風口將熱空氣吹向室內,冷空氣帶回空氣間層加熱,從而實現(xiàn)室內溫度升高。

圖1 主被動結合式太陽房原理圖

1.2 研究區(qū)及太陽房概況

新疆石河子市采暖期從10月15日至次年4月15日,全年采暖天數(shù)共計181天,采暖熱負荷較大[14]。石河子地區(qū)太陽輻射變化明顯,太陽輻射強度情況如圖2所示,采暖初期太陽輻射強度較大,進入采暖中期即最冷時期,太陽輻射強度明顯減弱。

圖2 太陽輻射強度

研究的太陽房位于石河子市郊區(qū)石河子大學試驗場一連,朝向正南,建筑面積93.34 m2,其平面布置圖見圖3。其層高為3.6 m,南墻選用太陽能集熱墻,并在集熱墻上設置直徑為150 mm的上、下通風口;距墻面150 mm處安裝單框雙層玻璃塑鋼集熱罩將集熱墻與窗戶一同覆蓋,形成空氣間層。

圖3 太陽房平面圖

按石河子地區(qū)采暖熱負荷、太陽輻射量及地理位置等因素設計主被動結合式太陽房，其中，被動式太陽房集熱墻的洞口直徑為150 mm,上下間距為2.4 m,空氣間層厚度為100 mm;主動式太陽能采暖系統(tǒng)的集熱器面積為24 m2,安裝傾角為47.6°,采用空氣源熱泵KFXRS-19IID作為輔助熱源,采用低溫地板輻射供暖作為供暖末端。

為了減小圍護結構的傳熱系數(shù),防止熱量過快散失,對太陽房進行以下保溫處理：太陽房外墻圍護結構為20 mm厚水泥砂漿+240 mm厚粘土多孔磚+200 mm厚模塑聚苯板(EPS)+6 mm厚掛網(wǎng)抹灰+20 mm厚聚合物水泥砂漿;屋面采用20 mm厚水泥砂漿+150 mm厚鋼筋混凝土面板+150 mm厚XPS板+加氣混凝土找坡層最薄處30 mm厚+30 mm厚細石混凝土找平+6 mm厚防水層;地面構造為30 mm厚水泥砂漿找平+地暖盤管+40 mm厚EPS板+120 mm鋼筋混凝土板;窗戶采用75系列鋼、鋁塑Low-E玻璃復合窗。

太陽房的運行狀態(tài)為無人居住狀態(tài)，采用間歇供暖的方式進行供暖,即11:00—19:00開啟地板輻射供暖側循環(huán)泵為室內供暖。地板輻射供暖最大進水溫度可達41 ℃,最小進水溫度為35 ℃,滿足供暖要求。地板輻射供暖循環(huán)泵開啟時,根據(jù)太陽能集熱器進出水溫度調節(jié)太陽能集熱側、地板輻射供暖側循環(huán)流量,保證儲熱水箱有一定的儲熱能力。通過合理調節(jié)太陽能集熱器集熱系統(tǒng)與地暖循環(huán)側循環(huán)流量,保證地板輻射供暖進水溫度滿足規(guī)范要求。

太陽房被動式集熱墻系統(tǒng)每天11:00—19:00開啟集熱墻上、下通風口,通過熱流循環(huán)為太陽房供暖。

1.3 測試內容、儀器與方法

(1)測試內容。包括室外溫濕度及太陽輻射強度、室內溫濕度、空氣間層溫濕度、集熱墻上下通風口溫度及風速、太陽能集熱器進出水溫度及制熱量。

(2)測試儀器。主要有Vantage Pro2氣象站(測量精度太陽輻射強度為5%、溫度為0.5 ℃)、TR001單溫記錄儀(測量精度±0.5 ℃)、JTR07B多通道微風速測試儀(測量精度±0.3 m/s)、JTR08B多通道溫濕度測試儀(測量精度溫度為±0.3 ℃、濕度為±1 %)和蘭吉爾UH50超聲波冷/熱量表。

(3)測試方法。溫度變化趨勢與室內供暖方式的選擇有關,本文選用間歇供暖的方式進行室內供暖試驗,每天11:00—19:00為房間供暖。按照相關規(guī)范[15]對主被動結合式太陽房供暖情況及該供暖模式下室內熱環(huán)境進行測試,采用短期連續(xù)測試的方法[16]對太陽房的上述測試內容進行測試，測試期間設置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的記錄間隔為10 min。集熱墻上、下通風口溫濕度測點的布置見圖1,其中,上通風口外側溫濕度為T1,上通風口內側溫濕度為T2,下通風口外側溫濕度為T3,下通風口內側溫濕度為T4。室內溫濕度測點的布置見圖3,其中,東南房間的溫濕度測點為T5,東北房間的溫濕度測點為T6,北面房間的溫濕度測點為T7,西南房間的溫濕度測點為T8。

(4)測試時間。石河子市3月中旬—4月中旬間,大氣透明度高,室外溫度出現(xiàn)較大幅度回升,室外平均溫度接近0 ℃,太陽輻射強度逐漸增強且超過600 W/m2，符合供暖末期的所有要求，所以，本文研究的測試時間選取石河子市供暖末期的2018年3月1—30日。

2 結果與分析

2.1 主被動結合式太陽房對室內溫度的影響

本文選連續(xù)晴朗天氣2018年3月15—20日進行研究,選取瞬時平均值進行數(shù)據(jù)分析。

2.1.1 主動式采暖系統(tǒng)對室內溫度的影響

主動式太陽能采暖系統(tǒng)運行情況及室內溫度變化情況見圖4。

圖4 太陽能采暖系統(tǒng)運行情況

由圖4可知：

(1)晴朗天氣時,太陽能集熱器最高出水溫度可達56 ℃。地板輻射供暖最高進水溫度可達41 ℃,最低進水溫度為35 ℃,滿足供暖要求。

(2)隨著主動式太陽能采暖系統(tǒng)的運行,室內溫度明顯提升。上午9:30室內溫度最低，為19.01 ℃,下午18:00升至最高21.98 ℃；當天溫差為2.97 ℃,溫度波動較小,滿足人體熱舒適性要求；24:00溫度為20.37 ℃,0:00溫度為19.56 ℃。上述結果表明：通過一天的供暖，室內溫度明顯提升。

(3)太陽能集熱器平均每天制熱量為55.08 MJ。

2.1.2 太陽房被動式集熱墻系統(tǒng)對室內溫度的影響

每天11:00—19:00開啟集熱墻上、下通風口,通過熱流循環(huán)為太陽房供暖。集熱墻上下通風口處風速及洞口內外側溫度見圖5。

圖5 集熱墻運行情況

由圖5可知：

(1)上通風口外側溫度最高可達49.5 ℃,上、下通風口風速最大值分別為0.52 m/s和0.50 m/s。

(2)11:00—19:00期間,太陽輻射強度先增大后減小,T1、T3處溫度與太陽輻射強度變化趨勢一致；T1、T3之間溫差最大值達9 ℃,空氣間層溫度分層現(xiàn)象明顯,空氣間層內部熱流循環(huán)動力較強。

(3)上、下通風口內側的溫度T2、T4隨著T1的增大逐漸升高,T2、T4之間溫差最大值為3.94 ℃,室內熱流大循環(huán)現(xiàn)象明顯,室內溫度升高與熱流循環(huán)趨勢一致。表明集熱墻具有明顯提高室內溫度的作用,上、下通風口的熱流循環(huán)可以使室內冷空氣通過下通風口進入空氣間層,經(jīng)空氣間層的加熱使熱空氣從上通風口進入室內,為太陽房供暖。

(4)太陽房上、下通風口全部位于南墻,共計12個。經(jīng)計算,通風口開啟時間段內,上通風口平均每天可為室內提供23.07 MJ熱量。

(5)主被動結合式太陽房平均每天可為太陽房提供78.15 MJ熱量，其中,主動式太陽能采暖系統(tǒng)占比為70.5 %,集熱墻占比為29.5 %。太陽房僅靠太陽能集熱器及集熱墻系統(tǒng)就可滿足室內供暖需求,無需開啟輔助熱源,實現(xiàn)低能耗要求,并可大幅縮短本地區(qū)采暖期。

2.2 房間熱環(huán)境對比

2.2.1 室內溫度

由室內各測點的溫度測試結果(圖6)可知：

圖6 房間溫度曲線

(1)各房間溫度在9:30左右達到最小值,隨著太陽能采暖系統(tǒng)及集熱墻系統(tǒng)的運行,室內溫度逐漸升高,19:00時室內溫度達到峰值。測試期間,室外平均溫度為9.36 ℃,最低溫度為3.31 ℃，室內溫度變化在3 ℃以內,溫度較為平穩(wěn)。開始采暖24 h后房間平均溫度為20.39 ℃,比供暖前夜間室內溫度高1.59 ℃,說明采用間歇供暖的方式可以滿足室內溫度要求。供暖時,南面的房間溫度提升明顯,南面房間與北面房間最大溫差達到了1.44 ℃,南北面房間溫差明顯。

(2)太陽房室內溫度最小值大于18.3 ℃(太陽房為無人居住狀態(tài)),滿足規(guī)范規(guī)定的最小室溫要求。表明主被動結合式太陽房消耗較少能源就可滿足室內溫度要求,實現(xiàn)低能耗的要求。

3.2.2 相對濕度

本文選取室外相對濕度、空氣間層相對濕度及T6、T8測點的相對濕度進行測試,結果見圖7。

圖7 相對濕度曲線圖

從圖7可以看出：

(1)室外濕度變化幅度很大,上午7:00出現(xiàn)峰值95 %,最小值36%出現(xiàn)在下午19:00。

(2)空氣間層內相對濕度變化幅度與室外濕度變化幅度基本一致,空氣間層內濕度較室外濕度明顯減小,空氣間層內最大濕度僅為58%；位于東北角房間相對濕度比位于西南角房間的相對濕度大,兩者最大差值為5 %。

(3)室內相對濕度變化平穩(wěn),變化幅度為4%。測試期間西南角房間的濕度在30%～60%的舒適區(qū)域[17],但東北角房間的濕度超過了這一舒適區(qū)域，說明集熱墻通過上、下通風口的熱空氣循環(huán)可改善室內相對濕度。

3.3 經(jīng)濟性分析

單一被動式太陽能采暖、單一主動式太陽能采暖及主被動結合式太陽能采暖的技術經(jīng)濟對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同采暖系統(tǒng)的技術經(jīng)濟對比數(shù)據(jù)

由表1可知,與單一主動式、單一被動式的太陽能采暖系統(tǒng)相比,主被動結合式太陽房供暖系統(tǒng)的太陽能利用率明顯提高。其主要原因是太陽能集熱器的應用能高效的利用太陽能資源。

4 結論

(1)本文采用的主被動結合式太陽房間歇供暖方式在試驗期間可滿足室內供暖需求。試驗期間該供暖方式平均每天供熱量為78.15 MJ,主動式太陽能采暖系統(tǒng)占比為70.5 %,集熱墻系統(tǒng)占比為29.5 %。

(2)試驗期間太陽房滿足人體熱舒適性要求。其中，室內溫度最小值為18.3 ℃,且靠近集熱墻的房間溫度較高,集熱墻系統(tǒng)提升室內溫度的效果顯著；太陽房在無人居住狀態(tài)下,室內相對濕度波動較小；集熱墻系統(tǒng)也可減小室內相對濕度變化。

(3)主被動結合式太陽房明顯縮短了采暖期,節(jié)能效果顯著,試驗期間標準煤節(jié)約量為3.35 kg/d,CO2減排可達8.35 kg/d。

(4)集熱墻系統(tǒng)的空氣間層作為一個緩沖空間,對于調節(jié)室內熱環(huán)境具有積極作用。