西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)建筑被動式太陽能系統(tǒng)利用研究

，

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130；2.成都棲睿機電設(shè)備有限公司，四川 成都 610041)

西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)建筑被動式太陽能系統(tǒng)利用研究

鄧元媛1，周吉日2

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130；2.成都棲睿機電設(shè)備有限公司，四川 成都 610041)

由于自然條件的限制，西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)的建筑缺水少電，現(xiàn)有采暖系統(tǒng)的運行效果不佳。被動式太陽能采暖系統(tǒng)的能源密度較低，只有當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)保溫較好時，才能有效維持建筑內(nèi)溫度。以隆子縣某營業(yè)樓建筑為例，在建筑圍護結(jié)構(gòu)增加保溫的基礎(chǔ)上，對其進行了被動式太陽房改造。綜合對比了改造前后的節(jié)能效果和經(jīng)濟性，該類建筑應(yīng)用被動式太陽房的條件優(yōu)越。

偏遠(yuǎn)地區(qū)；保溫改造；被動太陽能房；節(jié)能效果

0 引言

按照參考文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，西藏大部分屬于氣候嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，隨著西藏地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，自2003年起以拉薩為代表的大部分城市被列入了供暖區(qū)域，各企事業(yè)單位也陸續(xù)開始對偏遠(yuǎn)縣城營業(yè)樓進行供暖建設(shè)。但是由于長期認(rèn)識不足，這些地區(qū)的絕大多數(shù)建筑均未采取任何保溫及蓄熱措施，導(dǎo)致各建筑的能耗普遍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；同時由于工程所在地的環(huán)境特殊以及常規(guī)能源的缺乏等原因，采暖系統(tǒng)在應(yīng)用過程中產(chǎn)生了諸多問題，甚至是系統(tǒng)癱瘓。

西藏作為全國日照時間最長、輻射強度最大的地區(qū)之一，利用太陽能這一免費且環(huán)保資源的條件得天獨厚。該地區(qū)作為一片高原凈土，利用太陽能資源實現(xiàn)綠色建筑甚至零能耗建筑的目標(biāo)，終將會被提上日程。太陽能資源具有能源密度較低的特點，只有當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較好時，才能有效維持建筑內(nèi)溫度。因此太陽能建筑首先必須是保溫性能較好的節(jié)能建筑。目前太陽能采暖建筑在我國還沒有大范圍推廣，究其原因主要為相對于常規(guī)供熱采暖系統(tǒng)，太陽能供熱采暖系統(tǒng)初投資大(主要是針對保溫性能的建筑節(jié)能改造，以及太陽能系統(tǒng)自身的投資)。

本文借鑒前期工程的經(jīng)驗與教訓(xùn)的同時，在建筑節(jié)能改造的基礎(chǔ)上，利用被動式太陽能技術(shù)對西藏偏遠(yuǎn)縣城建筑下一階段的供暖方案進行優(yōu)化，與此同時對改造后系統(tǒng)的節(jié)能效果以及投資回收年限進行分析，以便于用戶綜合考慮。

1 被動式太陽房簡介及在本工程應(yīng)用中注意的問題

目前對太陽能采暖系統(tǒng)的利用主要為主動或被動式太陽房兩類：主動式太陽房是利用安裝于屋面或地面等部位的集熱裝置收集太陽能，然后將能量通過泵或風(fēng)機輸送至各用戶的系統(tǒng)。因此其需要一定的能量輸入，來驅(qū)動系統(tǒng)運行；被動式太陽房是利用合理的建筑朝向、房間布局以及合理的建材選擇等，自然的獲取和利用太陽能的建筑。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是系統(tǒng)組成相對簡單，沒有復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)、沒有動力裝置，因此系統(tǒng)初投資低、不需要進行日常維護。西藏偏遠(yuǎn)縣城建筑環(huán)境特殊(在漫長的冬季由于大雪封山，接近半年的時間完全與世隔絕)以及常規(guī)能源的奇缺(很大一部分站點，冬季沒有穩(wěn)定的電力及自來水供應(yīng))，因此被動式太陽能房無疑是該區(qū)域最佳的系統(tǒng)選擇。

被動太陽房按照收集太陽能方式的不同，可以分為下列三個大類：

1.1 直接受益式

直接受益式的主要特點為：南向的窗墻比較大，太陽光可透過窗戶大量直接照射進室內(nèi)。南向有玻璃窗的房間，都可以看作是簡單的直接受益式太陽房。直接受益式太陽能房如圖1所示。

圖1 直接受益式太陽房

1.2 集熱蓄熱墻式

集熱蓄熱墻式太陽能房的主要特點為：在南向設(shè)有垂直的集熱蓄熱墻，用以吸收穿過采光面的陽光，然后以輻射、傳導(dǎo)及對流的形式，將熱量釋放至室內(nèi)。為了高效地吸收陽光，墻的外側(cè)一般涂成深色；有時為了延長并穩(wěn)定集熱蓄熱墻的熱量吸收和釋放，會在集熱蓄熱墻內(nèi)增加相變材料。集熱蓄熱墻式太陽能房如圖2所示。

圖2 集熱墻式太陽房

1.3 附加陽光間式

附加陽光間指的是直接獲得太陽輻射能量的空間，形同于南向封閉陽臺如圖3所示。

圖3 附加陽光間式太陽房

對于工程應(yīng)用而言，被動太陽房在設(shè)計中應(yīng)注意以下問題：太陽能的能源密度較低，對圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的改造是其應(yīng)用前提；相對于新建建筑而言，既有建筑的被動太陽房改造的難度更大。不但同樣要考慮到運行效果以及改造成本，還要做到減少對用戶的使用造成影響；傳統(tǒng)的被動太陽房采暖最大的缺點是受建筑朝向影響，房間晝夜溫差大、房間內(nèi)南北朝向熱不平衡等，因此應(yīng)根據(jù)建筑的不同形式選擇被動式太陽能系統(tǒng)。

營業(yè)樓類建筑的性質(zhì)決定其均為白天使用，而且要求對既有建筑的改造最小，投資也最省。根據(jù)這些要求，直接受益式被動太陽房無疑是最佳的選擇。在本工程中，只需將南向各房間的窗墻比改造到0.5左右，便可利用透過窗戶的太陽輻射熱使這些房間成為被動式太陽房。同時針對被動太陽房采暖的缺點，各房間進深不宜過大(進深從5.1 m增加到8.1 m時，溫度降低值約為3℃[3])；在建筑的總體布局上應(yīng)將需要保證房間溫度的，如會議室、營業(yè)大廳、辦公室等都布置在南向，而將走廊、庫房、衛(wèi)生間等次要房間布置在北向。

2 現(xiàn)有建筑的基本情況

2.1 項目所在地的氣候特點

隆子縣某營業(yè)樓位于拉薩偏遠(yuǎn)地區(qū)，建筑面積420 m2，所在地氣象數(shù)據(jù)如表1、圖4。

表1 氣象數(shù)據(jù)

圖4 月平均溫度

從表1中可見：該地區(qū)的采暖期接近半年的時間；全年溫度均較低，即使在夏季溫度仍低于采暖室內(nèi)設(shè)計溫度18℃的要求；該地區(qū)的年日照時數(shù)高達(dá)2 984 hr，太陽能資源極其豐富。

同時根據(jù)一期試點工程的系統(tǒng)運行情況，該縣城冬季水、電供應(yīng)不穩(wěn)定，冬季無法運進常規(guī)能源及損壞后需要更換的零部件。

2.2 現(xiàn)有建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能分析

根據(jù)直接受益式被動太陽房能源密度低的特點，首先應(yīng)對建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能進行判斷。根據(jù)規(guī)范要求，影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境與建筑能耗的四個因素為：建筑體型系數(shù)、建筑窗墻面積比、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、建筑門窗的密封性能，對上述四個因素進行計算與分析，得到結(jié)果如表2～表5。

表2 體形系數(shù)計算結(jié)果

從表2的計算結(jié)果可以看出，該營業(yè)樓建筑的體型系數(shù)大于0.3，說明現(xiàn)有建筑的單位面積所對應(yīng)的外表面積大，熱損失大。

表3 窗墻面積比計算結(jié)果

從表3的計算結(jié)果可以看出，該營業(yè)樓的西向的窗墻面積比大于0.35，熱損失較大。且南向房間的窗墻比僅為0.19，說明設(shè)計者當(dāng)初未考慮直接受益式被動式太陽能的利用。

表4 圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計算結(jié)果

從表4的計算結(jié)果可以看出，外墻傳熱系數(shù)比國家標(biāo)準(zhǔn)大5倍左右；屋頂傳熱系數(shù)比國家標(biāo)準(zhǔn)大1.7倍左右。

表5 外門窗傳熱系數(shù)及密封性能

從表5的計算結(jié)果可以看出，外門窗傳熱系數(shù)比國家標(biāo)準(zhǔn)高2倍左右；外門窗密封性能很差，遠(yuǎn)大于國家標(biāo)準(zhǔn)為0.5 h-1的要求。

基于上述系列熱工性能計算，可以得出該建筑的熱工性能非常差，各項指標(biāo)均遠(yuǎn)大于國家對于寒冷地區(qū)的限值要求。導(dǎo)致由于維護結(jié)構(gòu)的冷壁面輻射，室內(nèi)的熱環(huán)境較差；由于建筑的保溫性能很差，建筑能耗非常大。因此針對本工程而言，在進行直接受益式被動太陽房改造工程前，應(yīng)先增強圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能。

3 現(xiàn)有建筑的被動太陽能房改造

3.1 建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫改造

表6 現(xiàn)有建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫改造方案

考慮到營業(yè)樓的能源供應(yīng)的不穩(wěn)定，因此應(yīng)保證在24 h停止采暖的條件下，房間最低溫度應(yīng)不低于5℃(規(guī)范要求的防凍溫度)。經(jīng)計算滿足此要求時的圍護結(jié)構(gòu)保溫性能應(yīng)比國家標(biāo)準(zhǔn)高20%(表6)。

改造后的負(fù)荷及能耗如表7。

表7 改造前后的負(fù)荷及能耗對比

改造后可節(jié)約一多半的能耗及運行費用，而且維護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后可以極大地提高室內(nèi)的熱舒適度，進而提高工作人員及顧客的滿意度，還可以提高采暖系統(tǒng)的可靠性。

3.2 建筑被動太陽房改造

建筑的非透明圍護結(jié)構(gòu)部分通常是由混凝土或磚等熱慣性很大的建筑材料組成。因此當(dāng)溫度波動時，伴隨著自身的蓄放熱過程，可起到溫度延遲及衰減的作用。建筑的透明圍護結(jié)構(gòu)，通常由投光率較高的透明材料組成。這類材料的特點是自身的熱慣性小,太陽輻射透過率大。

被動太陽房主要利用圍護結(jié)構(gòu)等存在熱慣性，達(dá)到將蓄存的能量用來維持建筑內(nèi)溫度的目的。現(xiàn)有建筑非透明圍護結(jié)構(gòu)為磚石砌體結(jié)構(gòu)，在進行保溫改造后，該重質(zhì)墻可較好的實現(xiàn)蓄放熱的功能。直接受益式被動太陽房的南窗選擇是工程的重點，因為該窗在白天必須使太陽輻射順利的通過，使太陽能在室內(nèi)蓄存；但在夜間因其為散熱面，必須具有良好的保溫性能，以維持室內(nèi)溫度。

綜合以上因素，現(xiàn)有建筑非透明圍護結(jié)構(gòu)進行保溫改造后可滿足被動太陽房的要求；南窗在采用高透光率玻璃、盡量加大窗戶的同時，也應(yīng)考慮有效的保溫措施，必要時應(yīng)加保溫窗簾等。南窗可采用6+12+6 mm中空玻璃或保溫型low-E中空玻璃，但不宜采用高遮陽系數(shù)的low-E玻璃(見表8)。

3.3 建筑改造經(jīng)濟性分析

表8 原采暖系統(tǒng)與被動太陽房系統(tǒng)改造的經(jīng)濟對比

通過上述一系列分析得出，現(xiàn)有建筑進行節(jié)能改造與應(yīng)用被動太陽能房取暖后，相對于原有系統(tǒng)，不但具有極好的經(jīng)濟效益，還具有良好的可靠性及社會效益。在不考慮原有系統(tǒng)維修成本的情況下，僅需2.4年就可收回比原有系統(tǒng)多投入的資金。

4 結(jié)論

進行圍護結(jié)構(gòu)保溫改造后的直接受益式被動太陽房，是西藏偏遠(yuǎn)縣城營業(yè)樓供暖的有效方式，具有良好的節(jié)能、經(jīng)濟效益，同時針對該地區(qū)的缺水少電的情況，還具有穩(wěn)定的可靠性。結(jié)論如下：

(1)由于太陽能的能源密度較低，圍護結(jié)構(gòu)保溫改造是其應(yīng)用前提，保溫性能比國家標(biāo)準(zhǔn)高20%后，能耗及運行費用可節(jié)約50%以上；

(2)現(xiàn)有建筑非透明圍護結(jié)構(gòu)在進行保溫改造后可滿足被動太陽房的要求；南向應(yīng)進行改造以增大窗墻比及采用高透光率的保溫型玻璃；

(3)在不考慮原有系統(tǒng)維修成本的情況下，僅需2.4年就可收回比原有系統(tǒng)多投入的資金。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):GB50189-2005[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]WREN newsletter，F(xiàn)inal Report of the World Renewable Energy Congress Ⅶ，Renewable Energy，28，2003：667-682.

[3]王磊.西藏地區(qū)被動太陽能建筑采暖研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[4]王磊,馮雅,曹友傳,等.西藏地區(qū)太陽能采暖建筑熱工性能優(yōu)化研究[J].土木建筑與環(huán)境工程,2013,35(02):86-91.

[5]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[6]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范:GB50495-2009[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[7]邢艷艷，劉艷峰，易賽蘭.拉薩市民用建筑采暖熱源經(jīng)濟性分析[J].節(jié)能技術(shù),2008,26(1):41-44.

ResearchofPassiveSolarSysteminRemoteAreasofTibet

DENG Yuan-yuan1,ZHOU Ji-ri2

(1.Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu 611130, China;2.Chengdu Qi Rui Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd，Chengdu 610041, China)

Due to natural conditions, in remote areas of Tibet, building is lack of water and electricity. The operation of the existing heating system is running poorly. Passive solar heating system's energy density is low.Only when the envelope insulation is better, the temperature inside the building can effectively maintain. Taking a business building architecture in Longzi for example, the passive solar reconstruction has been made based on the increasement of heat preservation to the building.By comprehensive comparing the energy efficiency and economy of construction applications before and after reconstruction,it proves passive solar house is in good condition.

remote areas;insulation transformation;passive solar house;energy savings

2013-11-29修訂稿日期2014-02-19

鄧元媛(1981～),女，本科，工程師，講師，主要從事建筑節(jié)能方面的研究工作。

TK519

A

1002-6339 (2014) 04-0342-04