寧夏中衛(wèi)地區(qū)被動(dòng)式太陽能民居測(cè)試研究

桑國(guó)臣,陳得勇,韓艷,朱軼韻,趙欽

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

寧夏中衛(wèi)地區(qū)被動(dòng)式太陽能民居測(cè)試研究

桑國(guó)臣,陳得勇,韓艷,朱軼韻,趙欽

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、城鎮(zhèn)化水平較低、氣候條件嚴(yán)酷,鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境改善與采暖用能及生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的矛盾日益突出。寧夏中衛(wèi)地區(qū)地處西北腹地,位于地處寧、甘、蒙三省區(qū)交匯地帶,其氣候特征及民居特點(diǎn)具有顯著的代表性。為探索利用太陽能解決鄉(xiāng)村民居冬季采暖問題,本文對(duì)寧夏中衛(wèi)地區(qū)某一被動(dòng)式太陽能采暖民居進(jìn)行了冬季室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)的測(cè)試,并采用操作溫度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富,適于發(fā)展被動(dòng)式太陽能建筑,并且鄉(xiāng)村建筑通過直接受益窗以及溫度過渡區(qū)的合理設(shè)置,能有效提高主要房間的熱環(huán)境質(zhì)量。但現(xiàn)有鄉(xiāng)村建筑的冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量并不理想,室內(nèi)溫度偏低、波動(dòng)較大,需要加強(qiáng)建筑的集熱與蓄熱設(shè)計(jì)。

寧夏中衛(wèi)地區(qū); 太陽能建筑; 操作溫度; 室內(nèi)熱環(huán)境

我國(guó)西北地區(qū)干旱少雨、生態(tài)環(huán)境脆弱,冬季寒冷且漫長(zhǎng)。長(zhǎng)期以來,受地域條件制約,西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),城鎮(zhèn)化水平較低,農(nóng)村人口所占比重較大。廣大西北農(nóng)村的采暖方式比較落后,主要采用土炕、土制采暖爐、煤爐等簡(jiǎn)易采暖設(shè)施,采暖燃料以煤炭、木材、秸稈、麥草為主,偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)戶甚至依靠鏟草皮、挖樹根等方式解決冬季采暖的燃料問題。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境改善與采暖用能及生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的矛盾日益突出。西北地區(qū)太陽能資源較為豐富,具有發(fā)展太陽能建筑的優(yōu)越條件[1],利用太陽能解決西北農(nóng)村居民的采暖問題,是適應(yīng)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)政策要求,及促進(jìn)鄉(xiāng)村民居與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有利手段[2]。

寧夏自治區(qū)中衛(wèi)市位于西北腹地,處于寧、甘、蒙三省區(qū)交匯地帶,其氣候特征與民居形式均具有西北地區(qū)的代表性[3]。該地區(qū)現(xiàn)有鄉(xiāng)村民居已經(jīng)具備了太陽能熱利用初步理想和簡(jiǎn)易方式,但這些技術(shù)手段主要源自工匠的經(jīng)驗(yàn)傳承,缺少科學(xué)設(shè)計(jì),因此鄉(xiāng)村民居熱工性能及太陽能熱利用效率不甚理想。本文對(duì)中衛(wèi)地區(qū)一棟被動(dòng)式太陽能采暖的鄉(xiāng)村民居進(jìn)行室內(nèi)外熱環(huán)境實(shí)地測(cè)試,探究該地區(qū)鄉(xiāng)村民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀,并對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響因素進(jìn)行分析,以期對(duì)西的北地區(qū)被動(dòng)式太陽采暖鄉(xiāng)村建筑性能改善提供參考。

1 測(cè)試對(duì)象

被測(cè)試建筑位于寧夏中衛(wèi)市黑林村,為一棟磚混結(jié)構(gòu)建筑,室內(nèi)空間主要由堂屋、雜物間和倉房構(gòu)成,建筑層高3.0 m,各房間進(jìn)深均為5.4 m。堂屋開間8.1 m,南外墻上設(shè)置兩個(gè)2.2 m×1.8 m單層鋁合金外窗,無北窗;東側(cè)雜物間開間4.2 m,南外墻上設(shè)置一個(gè)2.0 m×1.8 m單層鋁合金外窗,無北窗;倉房的南向外墻設(shè)兩個(gè)2.2 m×1.8 m單層鋁合金外窗,北向外墻設(shè)置兩個(gè)0.6 m×0.6 m單層鋁合金窗。圖1為測(cè)試建筑南立面圖。

居民冬季起居活動(dòng)主要集中在堂屋,因此僅有堂屋采用了灶連炕式傳統(tǒng)采暖設(shè)施,其余房間均無采暖設(shè)施。各房間(雜物間、堂屋、倉房)南向開窗率分別為0.26、0.33、0.26。所有房間的外門均為單層鋁合金門,冬季外設(shè)厚布門簾。

外墻均為370 mm實(shí)心粘土磚墻體,外貼10 mm厚白色瓷磚。室內(nèi)隔墻采用240 mm實(shí)心粘土磚砌體。屋頂為雙坡屋頂,其中僅有堂屋頂棚采用5 mm石膏板吊頂。

2 測(cè)試方案

測(cè)試時(shí)間為2015年1月18日10:00～1月19日10:00,測(cè)試期間天氣晴朗。測(cè)試內(nèi)容包括,各房間室內(nèi)空氣溫濕度、內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)風(fēng)速、室外空氣溫濕度、太陽總輻射強(qiáng)度和散射強(qiáng)度等。

空氣溫濕度測(cè)試采用175-H1型自記式高精度溫濕度計(jì),測(cè)量精度0.2 ℃。室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)距地面高度為0.9 m,與墻體距離大于1.0 m。內(nèi)壁面溫度測(cè)試,采用JTNT-C型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀,測(cè)量精度0.5 ℃。內(nèi)壁面溫度測(cè)點(diǎn),位于被測(cè)墻面的中間位置。室內(nèi)空氣溫濕度及壁面溫度測(cè)點(diǎn)布置,見圖2。室內(nèi)風(fēng)速測(cè)試,采用ZRQF-30型熱球風(fēng)速儀測(cè)試,最小分辨率為0.01 m/s。太陽輻射強(qiáng)度測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)JTDL-4型太陽輻射儀,太陽輻射儀水平設(shè)置于室外空曠處,周圍空間無遮擋物。測(cè)試期間居民起居生活正常,室內(nèi)無電器使用。室內(nèi)風(fēng)速采集時(shí)間間隔為1 h,其余室內(nèi)外參數(shù)采集間隔均為10 min。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 室外熱環(huán)境測(cè)試

測(cè)試期間的室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度日變化情況,分別見圖3、圖4。從圖3可見,室外空氣平均溫度為-2.74 ℃,與當(dāng)?shù)夭膳谑彝馄骄鶞囟?2.1 ℃相差不大[3],最低溫度為-7.6 ℃,最高溫度2.5 ℃,分別出現(xiàn)在上午8:30和下午5:00左右,溫度波動(dòng)幅度約10 ℃。由測(cè)試結(jié)果可知,該地區(qū)冬季寒冷,日溫差較大。

由圖4可見,太陽輻射強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在13:00時(shí),總輻射強(qiáng)度為544.8 W/m2,散射輻射強(qiáng)度為124.9 W/m2。測(cè)試期間的平均太陽輻射強(qiáng)度為286 W/m2,且太陽直射輻射強(qiáng)度較大,約占總輻射強(qiáng)度的80%。測(cè)試數(shù)據(jù)表明,中衛(wèi)地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度較高,且以直射輻射為主。

3.2 室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試

各房間空氣溫度與壁面溫度的測(cè)試結(jié)果,見圖5和圖6。

由圖5可見,雜物間和倉房的室內(nèi)平均溫度均約為3.6 ℃,溫度波動(dòng)幅度為7.0 ℃。堂屋室內(nèi)平均溫度為9.5 ℃,溫度波動(dòng)幅度為8.6 ℃。從各房間室內(nèi)溫度逐時(shí)變化情況可見,室內(nèi)溫度總體偏低,但堂屋室內(nèi)溫度略高,堂屋與位于其兩側(cè)的倉房和雜物間溫度波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。由此可知,各房間的室內(nèi)得熱均主要源自于南窗的被動(dòng)式集熱,室內(nèi)溫度受室外空氣溫度波動(dòng)及太陽輻射強(qiáng)度變化的影響較為顯著。此外,測(cè)試結(jié)果表明,堂屋室內(nèi)平均溫度較其它房間高約6 ℃,溫度波動(dòng)也略高于其它房間。其主要原因在于,堂屋處于建筑的中間位置,位于兩側(cè)的倉房與雜物間構(gòu)成了堂屋的“溫度過渡區(qū)”,有效減少了堂屋的傳熱損失。其次,堂屋內(nèi)的間歇性采暖,對(duì)提高室內(nèi)溫度起到了輔助作用,但由于堂屋的窗墻比較大,造成夜間失熱量增大,從而導(dǎo)致溫度波動(dòng)增大。

圖6為堂屋各壁面逐時(shí)溫度變化曲線,由圖可見,各壁面溫度變化趨勢(shì)基本相同,但壁面溫度存在差異。堂屋東、南、西墻內(nèi)壁面平均溫度和頂棚內(nèi)表面平均溫度均約為9 ℃,而北向外墻內(nèi)壁面平均溫度較低,僅為7.7 ℃。北外墻內(nèi)壁面溫度低,是由于北向無太陽直射熱作用造成北墻室外空氣綜合溫度最低,墻體失熱量最大。堂屋的東西墻,在整體建筑中屬于內(nèi)隔墻,其內(nèi)壁面溫度與南向外墻的相當(dāng),由此可知,位于堂屋兩側(cè)的“溫度過渡區(qū)”有效提高了堂屋東西兩側(cè)的壁面溫度,減少了東西向的墻體傳熱損失。堂屋室內(nèi)各壁面溫度波動(dòng)均在5.0 ℃左右,頂棚內(nèi)表面溫度波動(dòng)較大,達(dá)到7.1 ℃,與室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)幅度接近(8.6 ℃)。不同部位圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力差異,是造成內(nèi)表面溫度波動(dòng)幅度差異的主要原因。建筑的外墻和室內(nèi)隔墻均為厚重的實(shí)心粘土磚砌體,其蓄熱能力遠(yuǎn)大于頂棚的石膏板,因此頂棚內(nèi)表面溫度波動(dòng)明顯增大。

3.3 室內(nèi)熱環(huán)境分析

(1)

式中:tS、tE、tW、tN、tR分別為堂屋南墻、東墻、西墻、北墻及頂棚的內(nèi)表面溫度(℃);SS、SE、SW、SN、SR分別為南墻、東墻、西墻、北墻及頂棚的內(nèi)表面面積(m2)。

根據(jù)測(cè)得的堂屋各內(nèi)壁面逐時(shí)溫度及各壁面面積,求出堂屋室內(nèi)平均輻射溫度逐時(shí)值,并將其與室內(nèi)空氣溫度逐時(shí)值共同繪于圖7中。

從圖7可以看出,室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的波動(dòng),在峰值與相位上均有明顯差異。對(duì)于被動(dòng)式太陽能建筑,室內(nèi)熱環(huán)境受室內(nèi)空氣溫度和輻射溫度的綜合影響,因此采用操作溫度評(píng)價(jià)該類建筑的室內(nèi)熱環(huán)境,能夠更為準(zhǔn)確地反映出平均輻射溫度與空氣溫度共同作用效果[7],其計(jì)算如式(2)所示。

(2)

(3)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,由式(3)計(jì)算得出堂屋操作溫度值,將操作溫度逐時(shí)值和室內(nèi)空氣溫度與平均輻射溫度進(jìn)行對(duì)比,見圖8。操作溫度的平均值與波動(dòng)幅度介于空氣溫度與平均輻射溫度之間,其平均值為9.1 ℃,波動(dòng)幅度為6.0 ℃。

從操作溫度的分析結(jié)果可以看出,當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村建筑的冬季室內(nèi)熱環(huán)境并不理想。由于操作溫度取決于室內(nèi)空氣溫度與輻射溫度,因此需要加強(qiáng)鄉(xiāng)村建筑的集熱設(shè)計(jì)并提升建筑墻體的保溫蓄熱能力,才能有效改善鄉(xiāng)村建筑的冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1) 寧夏中衛(wèi)地區(qū)冬季寒冷,但太陽能資源豐富,具有發(fā)展被動(dòng)式太陽能建筑的資源優(yōu)勢(shì)。當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村建筑具備了初步利用太陽能采暖的技術(shù),通過直接受益窗以及溫度過渡區(qū)的設(shè)置,有效提高了堂屋室內(nèi)溫度。

2) 太陽能采暖建筑的室內(nèi)空氣溫度與輻射溫度之間,存在顯著的相位差異和峰值差異,室內(nèi)熱環(huán)境受兩種溫度的綜合影響。

3) 現(xiàn)有鄉(xiāng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境并不理想,主要表現(xiàn)為溫度偏低且波動(dòng)偏大(測(cè)試期間操作溫度日平均值為9.1 ℃,波動(dòng)幅度為6.0 ℃),因此需要加強(qiáng)建筑的集熱與蓄熱設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯 楊小麗)

Measuring study of passive solar house for dwelling building in Ningxia Zhongwei Area

SANG Guochen,CHEN Deyong,HAN Yan,ZHU Yiyun,ZHAO Qin

(Faculty of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In northwest China where there are the fragile ecological environment, the low urbanization level and harsh climate condition, the contradictions between ecological environment protection and the improvement of indoor thermal environment are becoming more and more serious in rural areas. Zhongwei region in Ningxia is located in the hinterland of northwest and it is located in the Ningxia autonomous region, Gansu province and Inner Mongolia autonomous region convergence zone, where climatic features and residential characteristics are of northwest rural representativeness. In order to probe into and solve the problems of rural residential heating by using solar energy in winter, the indoor and outdoor thermal environmental parameters of a passive solar heating house are tested and indoor thermal environment is analyzed and evaluated using the operating temperature in this paper. Results show that the local rich solar energy resources are suitable for the development of passive solar houses and through the rural architecture with the sunlight directly and the transition temperature region reasonable setting can effectively improve the thermal environment quality in the main rooms of existing rural house. But the quality of the indoor thermal environment in winter of existing rural buildings is not ideal. With low indoor temperature and large temperature fluctuations, so that it is necessary to strengthen the heat collection and heat storage design of architectures.

Ningxia Zhongwei Area; passive solar building; operating temperature; indoor thermal environment

1006-4710(2015)03-0273-04

2015-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278419、51178369);陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013JK0945)。

桑國(guó)臣,男,博士,副教授.研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與節(jié)能材料。E-mail:sangguochen@xaut.edu.cn。

TU241.4

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