高寒山區(qū)太陽能復(fù)合采暖關(guān)鍵技術(shù)—集熱蓄熱及熱量輸送技術(shù)研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學(xué)）

高寒山區(qū)太陽能復(fù)合采暖關(guān)鍵技術(shù)—集熱蓄熱及熱量輸送技術(shù)研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學(xué)）

黃勝關(guān)站地處川西北高原地區(qū)，海拔高，光照充足，太陽能資源較為豐富，同時(shí)該地區(qū)冬季寒冷，需要進(jìn)行采暖。目前傳統(tǒng)的采暖方式仍然依靠煤炭、燃油、電力等常規(guī)能源，豐富的太陽能資源得不到充分利用，造成非可再生能源大量消耗。本項(xiàng)目成蘭線黃勝關(guān)站將利用太陽能進(jìn)行建筑采暖。進(jìn)行了采暖潛力分析和采暖負(fù)荷分析。對(duì)于前者主要考慮到室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)，土壤溫度，建筑模型設(shè)計(jì)和采暖負(fù)荷計(jì)算。對(duì)于后者對(duì)比分析了主被動(dòng)式太陽能采暖建筑，提出了幾個(gè)合理方案。為了找到最優(yōu)化的方案，最后還進(jìn)行了數(shù)值模擬在備選方案中遴選出了最佳方案。

冬季采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)

松潘地處四川省北部，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季需采暖天數(shù)為167天（當(dāng)年10月24日—次年4月8日），全年采暖度日數(shù)（HDD18）為4218℃·d，在采暖期間，室外平均溫度為-0.1℃，建筑各個(gè)面（屋頂、南墻、北墻、東墻、西墻）的太陽總輻射平均強(qiáng)度分別為136W/m2、132 W/m2、41 W/m2、71 W/m2、70 W/m2。

1.1.2 室外空氣計(jì)算參數(shù)

采暖室外計(jì)算溫度應(yīng)采用歷年平均不保證 5天的日平均溫度，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度應(yīng)采用累年最冷月平均溫度。松潘地區(qū)冬季采暖室外計(jì)算干球溫度為-7.2℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度為-6.1℃。

1.1.3 室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)

各類公共建筑的大廳一般冬季采暖室內(nèi)空氣溫度采用16～18℃，而火車站候車廳主要由候車區(qū)、檢票區(qū)、通道等組成，人員大多處于靜坐或站立狀態(tài)，活動(dòng)強(qiáng)度較低，屬極輕勞動(dòng)，選取16℃作為該火車站候車廳室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度。

1.1.4 設(shè)計(jì)新風(fēng)量

候車廳的新風(fēng)量設(shè)為20m3/(h·人)。

1.2 土壤溫度

采暖期土壤溫度取最冷 3個(gè)月各月平均土壤溫度的平均值。因此松潘地區(qū)采暖期土壤溫度取為-0.77℃。

1.3 冬季日照百分率

日照百分率即實(shí)際日照時(shí)間與可能日照時(shí)間（全天無云時(shí)應(yīng)有的日照時(shí)數(shù)）之比。冬季日照百分率應(yīng)采用累年最冷 3個(gè)月各月平均日照百分率的平均值。松潘地區(qū)最冷3個(gè)月分別為12月、1月、2月，這三個(gè)月的平均日照百分率分別為55%、51%、46%，因此，松潘地區(qū)冬季日照百分率取為50.7%

2 采暖負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于民用建筑，冬季熱負(fù)荷包括兩項(xiàng)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和由門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣耗熱量。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱量、加熱由于外門短時(shí)間開啟而侵入的冷空氣耗熱量和一部分太陽輻射熱量的代數(shù)和。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量按照基本耗熱量和附加耗熱量?jī)刹糠钟?jì)算。

2.1.1 基本耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計(jì)算公式

式中 Qj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，W；

Aj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2；

Kj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

tR——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度，℃ ；

to ——采暖室外計(jì)算溫度，℃,，根據(jù)上文取-7.2℃，地面?zhèn)鳠崛⊥寥罍囟?0.77℃

a；——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范[1]，候車廳南北外墻、屋頂、地面、門窗的溫差修正系數(shù)為1.0；東西墻底部?jī)?nèi)墻部分與采暖房間接觸，通過該墻的傳熱量遠(yuǎn)低于候車廳負(fù)荷的 10%，不予考慮；東西墻頂部與室外大氣相通，溫差修正系數(shù)取為1.0；

2.1.2 附加耗熱量

（1）朝向修正率

朝向修正率的選取應(yīng)考慮當(dāng)?shù)囟救照站G及太陽輻射強(qiáng)度的大小。根據(jù)前文，松潘地區(qū)冬季日照百分率為50.7%。因此垂直外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向修正選取如下：

東、西朝向修正取為-5%；南向修正取為-20%；北向修正取為5%；（2）風(fēng)力附加率

黃勝關(guān)站地處開闊的郊外，周圍無其它建筑物遮擋，容易受到自然風(fēng)的影響，垂直外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷附加7.5%。

（3）外門附加率

黃勝關(guān)站候車廳屬于公共建筑，外門附加率取500%。

（4）高度附加率

當(dāng)民用建筑的房間凈高超過4m時(shí)，每增加1m，附加率提高為2%，但最大附加率不超過15%。黃勝關(guān)站候車廳高9.0m，高度附加率取10%

2.2 門窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量

門窗縫隙滲入冷空氣耗熱量的計(jì)算公式

式中iQ——為加熱門窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量，W；

L——滲透冷空氣量，m3/h，黃勝關(guān)站候車廳空間高大，南北兩面均有外窗和外門，室外空氣主要通過候車廳底部門窗滲入，頂部空氣流動(dòng)性較差，根據(jù)此處滲透冷空氣量按照整個(gè)房間的換氣次數(shù)為0.5取值；

oρ——采暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度，取為0.946kg/m3；

主被動(dòng)太陽能采暖分析

本文基于黃勝關(guān)站候車廳分別采用被動(dòng)式太陽能采暖方式和主被動(dòng)合用的太陽能采暖方式對(duì)太陽能采暖的潛力進(jìn)行分析。

主被動(dòng)合用的太陽能采暖建筑

主被動(dòng)合用的太陽能建筑，是在只采用被動(dòng)式太陽能建筑的基礎(chǔ)上加入獨(dú)立的太陽能空氣集熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)方式合用的太陽能建筑。

1. 設(shè)計(jì)方案：

采用無蓋板太陽能新風(fēng)集熱系統(tǒng)與有蓋板太陽能回風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)相結(jié)合的采暖方式。該系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）集熱部分：無蓋板太陽能新風(fēng)集熱系統(tǒng)抽吸室外新風(fēng)并進(jìn)行加熱，為候車廳提供新鮮空氣補(bǔ)充；而有蓋板太陽能回風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)不斷對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)加熱，提供房間所需熱負(fù)荷；（2）蓄熱部分：集熱系統(tǒng)多余的熱量主要靠嵌于地面的巖石堆積床，該巖石堆積床主要分為兩部分，靠近南墻的部分直接接受南向直接太陽光進(jìn)行蓄熱，而靠近北墻的地面巖石堆積床主要接受來自有蓋板太陽能空氣集熱系統(tǒng)的多余熱量，通過專門管道送入地下蓄熱體進(jìn)行蓄熱。

2.數(shù)值模擬

我們選擇star ccm+為數(shù)值模擬軟件，并依據(jù)其建模和計(jì)算參數(shù)等流程進(jìn)行車站空間溫度、壓力、流速場(chǎng)的模擬。

1.建模過程

模型的建立經(jīng)歷了南面、頂部各一個(gè)空氣集熱器蓋板，南部集熱器采用下部開口進(jìn)風(fēng)，最上端開口向車站空間輸送新風(fēng)，收集南部熱量的同時(shí)保證車站的空氣質(zhì)量，頂部?jī)啥烁鳛檠h(huán)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，用于收集車站上部的太陽能并輸送到北部背陽面。

2.模型參數(shù)

車站模型為長(zhǎng)14.4m，寬8.7m，南部集熱器為4m,頂部集熱器都為4.75m，之間間距7.5cm，各進(jìn)出風(fēng)口全為15cm。由于為二維模擬，將不考慮厚度的大小。

2.1 網(wǎng)格

2．1．1 網(wǎng)格模型

選擇表面重構(gòu)和四面體網(wǎng)格為網(wǎng)格模型。

2．1．1 網(wǎng)格尺寸

基本尺寸為0.15 m，除南部及頂部加密處，其它網(wǎng)格參數(shù)均選擇初始值。

加密位置南部集熱器蓋板、車站空間最頂端 1mm、頂部的集熱器蓋板和集熱器循環(huán)送風(fēng)口。

2．2 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

①初始值：壓力：101325Mp；靜態(tài)溫度：288.0 K

②重力參考值及方向：[0.0, -9.81, 0.0] m/s^2

邊界值：

③南部集熱器：入口速度：3.0 m/s 進(jìn)口空氣溫度：288.0 K 集熱器熱流密度：200.0 W/m^2；

④頂部集熱器：動(dòng)量源：[0.0,20.0,0.0]N/m^3,集熱器熱流密度300.0W/m^2。

⑤迭代次數(shù)先設(shè)定為5000次，如果不收斂則加大迭代次數(shù)。

其他參數(shù)均為軟件初始值，對(duì)于此模擬計(jì)算已經(jīng)足夠。

3．綜述

結(jié)合建模，劃分網(wǎng)格，設(shè)定參數(shù)及后期的處理，再加上對(duì)模擬圖的數(shù)據(jù)分析，此次數(shù)值計(jì)算以溫度適宜，壓力適中，速度平緩的結(jié)果評(píng)價(jià)了前期的所有模型，不僅得到了讓人滿意的計(jì)算結(jié)果，而且達(dá)到了將車站南部及頂部的太陽能輸送到北部的目的。

[1] 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2003）

[2] 《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》 . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005，4

[3]《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）

[4] 《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26-2010）

[5] 供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)

[6] 《被動(dòng)式太陽能建筑技術(shù)規(guī)范》JGJ/T 267-2012

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1007-6344（2015）08-0076-02