新疆嚴寒地區(qū)石河子市供暖末期主被動結(jié)合式太陽房供暖的試驗研究

李潔，武曉偉，姜曙光，徐鑫

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)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(jié)構(gòu)中,大約有75 %的能源用于建筑的采暖、降溫及熱水供應(yīng)[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(gòu)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(jié)合,在滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟮耐瑫r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(yīng)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(jié)合式太陽房的應(yīng)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(jié)合式太陽房的研究多以理論分析為主[9-10],對主被動結(jié)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(jié)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(jié)合式太陽房各系統(tǒng)運行情況及其對室內(nèi)熱環(huán)境的影響進行試驗研究。

1 試驗部分

1.1 主被動結(jié)合式太陽房的組成及工作原理

主被動結(jié)合式太陽房在結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(nèi)的儲熱水箱,地暖側(cè)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(nèi);集熱墻系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)的熱空氣流入室內(nèi),促進室內(nèi)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(nèi),冷空氣帶回空氣間層加熱,從而實現(xiàn)室內(nèi)溫度升高。

圖1 主被動結(jié)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(xué)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(shè)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(shè)計主被動結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(fù)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(cè)循環(huán)泵為室內(nèi)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(diào)節(jié)太陽能集熱側(cè)、地板輻射供暖側(cè)循環(huán)流量,保證儲熱水箱有一定的儲熱能力。通過合理調(diào)節(jié)太陽能集熱器集熱系統(tǒng)與地暖循環(huán)側(cè)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(nèi)容、儀器與方法

(1)測試內(nèi)容。包括室外溫濕度及太陽輻射強度、室內(nèi)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(nèi)供暖方式的選擇有關(guān),本文選用間歇供暖的方式進行室內(nèi)供暖試驗,每天11:00—19:00為房間供暖。按照相關(guān)規(guī)范[15]對主被動結(jié)合式太陽房供暖情況及該供暖模式下室內(nèi)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(nèi)容進行測試，測試期間設(shè)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(cè)溫濕度為T1,上通風口內(nèi)側(cè)溫濕度為T2,下通風口外側(cè)溫濕度為T3,下通風口內(nèi)側(cè)溫濕度為T4。室內(nèi)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(jié)果與分析

2.1 主被動結(jié)合式太陽房對室內(nèi)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(nèi)溫度的影響

主動式太陽能采暖系統(tǒng)運行情況及室內(nèi)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(nèi)溫度明顯提升。上午9:30室內(nèi)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(jié)果表明：通過一天的供暖，室內(nèi)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(nèi)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(nèi)外側(cè)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(cè)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(nèi)部熱流循環(huán)動力較強。

(3)上、下通風口內(nèi)側(cè)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(nèi)熱流大循環(huán)現(xiàn)象明顯,室內(nèi)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(nèi)溫度的作用,上、下通風口的熱流循環(huán)可以使室內(nèi)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(nèi),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(nèi),上通風口平均每天可為室內(nèi)提供23.07 MJ熱量。

(5)主被動結(jié)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(nèi)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(nèi)溫度

由室內(nèi)各測點的溫度測試結(jié)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(nèi)溫度逐漸升高,19:00時室內(nèi)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(nèi)溫度變化在3 ℃以內(nèi),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(nèi)溫度高1.59 ℃,說明采用間歇供暖的方式可以滿足室內(nèi)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(nèi)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(jié)合式太陽房消耗較少能源就可滿足室內(nèi)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(jié)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(nèi)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(nèi)濕度較室外濕度明顯減小,空氣間層內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)合式太陽能采暖的技術(shù)經(jīng)濟對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同采暖系統(tǒng)的技術(shù)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(jié)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(yīng)用能高效的利用太陽能資源。

4 結(jié)論

(1)本文采用的主被動結(jié)合式太陽房間歇供暖方式在試驗期間可滿足室內(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度的效果顯著；太陽房在無人居住狀態(tài)下,室內(nèi)相對濕度波動較小；集熱墻系統(tǒng)也可減小室內(nèi)相對濕度變化。

(3)主被動結(jié)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(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境具有積極作用。