太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心內(nèi)墻蓄熱采暖的室內(nèi)溫度與采暖負(fù)荷分析

劉伯萬(wàn) 雷 波 余 濤

太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心內(nèi)墻蓄熱采暖的室內(nèi)溫度與采暖負(fù)荷分析

劉伯萬(wàn) 雷 波 余 濤

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031)

提出了一種將太陽(yáng)能空氣集熱器與空心通風(fēng)內(nèi)墻相結(jié)合的新型供暖方式，利用建筑內(nèi)墻蓄存集熱器白天收集的熱量，并于夜間釋放至室內(nèi)，從而提高夜間室內(nèi)溫度，減少采暖負(fù)荷。運(yùn)用EnergyPlus軟件建立該系統(tǒng)的計(jì)算模型，模擬室內(nèi)溫度及采暖負(fù)荷，得出太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱供暖系統(tǒng)相比無(wú)該系統(tǒng)的普通房間及將熱空氣直接通入普通房間的集熱器傳統(tǒng)應(yīng)用方法，分別能夠提高夜間室內(nèi)最低溫度6.5℃與3.2℃，減少夜間采暖負(fù)荷56.8%與51.6%。該系統(tǒng)在太陽(yáng)能資源豐富的青藏高原寒冷地區(qū)普通居住建筑中具有良好的推廣價(jià)值。

太陽(yáng)能空氣集熱器；空心通風(fēng)內(nèi)墻；蓄熱；采暖；熱過(guò)程模擬

0 引言

太陽(yáng)能供暖在海拔高、氣溫低且太陽(yáng)能資源豐富的青藏高原寒冷地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，其節(jié)能、生態(tài)和環(huán)保效益非常顯著。太陽(yáng)能供暖通常以水或空氣作為熱媒。太陽(yáng)能熱水供暖系統(tǒng)設(shè)備繁多、形式復(fù)雜，在高寒地區(qū)采用還需考慮防凍問(wèn)題。太陽(yáng)能空氣供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和控制方便、制作及維修成本低，且無(wú)需考慮防凍措施和腐蝕問(wèn)題，該系統(tǒng)在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的低層建筑中較為常見(jiàn)[1,2]。

普通居住建筑供暖負(fù)荷白天小夜間大，故太陽(yáng)能供暖與室內(nèi)供暖負(fù)荷存在明顯矛盾，因此太陽(yáng)能供暖往往與蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用，在太陽(yáng)能不足的時(shí)段也能供熱[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)太陽(yáng)能供暖結(jié)合外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，且以被動(dòng)式技術(shù)為主[4,5]。研究表明采用外墻作為蓄熱結(jié)構(gòu)，其熱量損失較大，室內(nèi)有效熱利用程度低，而內(nèi)墻同樣具有較高的蓄熱性能[6]，對(duì)于中空內(nèi)部墻體結(jié)構(gòu)，其蓄熱與放熱效果良好[7]。因此，采用空心內(nèi)墻作為蓄熱結(jié)構(gòu)可有效減小熱量損失，提高太陽(yáng)能熱利用率。

本文提出了一種將太陽(yáng)能空氣集熱器與空心通風(fēng)內(nèi)墻相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，利用建筑內(nèi)墻蓄存集熱器白天收集的熱量，并于夜間釋放至室內(nèi)，提高夜間室內(nèi)溫度，減少采暖負(fù)荷。該系統(tǒng)在太陽(yáng)能資源豐富的青藏高原寒冷地區(qū)普通居住建筑中具有良好的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

本文提出的新型供暖系統(tǒng)是由太陽(yáng)能空氣集熱器、空心通風(fēng)內(nèi)墻及風(fēng)機(jī)組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。白天太陽(yáng)能空氣集熱器開(kāi)啟，空氣被加熱后由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)送入空心通風(fēng)內(nèi)墻，熱量經(jīng)對(duì)流換熱從空氣層傳入流道壁面，再通過(guò)內(nèi)墻導(dǎo)熱作用傳往內(nèi)墻表面，當(dāng)內(nèi)墻表面溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，熱量以對(duì)流和輻射方式傳遞至室內(nèi)。整個(gè)傳熱過(guò)程中由于建筑熱質(zhì)的蓄熱作用使得熱量被蓄存在內(nèi)墻中。夜間太陽(yáng)能空氣集熱器關(guān)閉，隨著室內(nèi)溫度的降低，內(nèi)墻蓄積的熱量以對(duì)流和輻射方式逐漸釋放到室內(nèi)，從而有效提高夜間室內(nèi)溫度，減少采暖負(fù)荷，其蓄放熱原理如圖2所示。

圖1 太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱供暖系統(tǒng)

圖2 空心內(nèi)墻蓄放熱原理圖

2 建筑模型與計(jì)算方法

2.1 建筑模型

為了評(píng)估該系統(tǒng)在高寒地區(qū)的供暖作用效果，選取四川省甘孜州某居住建筑為研究對(duì)象。該建筑共3間房，每間房尺寸7m×4m×3m（長(zhǎng)×寬×高）。房間南向外墻設(shè)置1.5m×1.5m玻璃外窗（窗墻比0.19），空心內(nèi)墻采用120mm頁(yè)巖實(shí)心磚，內(nèi)部空腔厚度為100mm，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)均按照DB 51/5027—2012《四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]選取。集熱器采用平板型空氣集熱器，尺寸為2.5m×2m×0.14m（高×寬×厚），集熱器安裝在各房間南向窗戶(hù)之間，上部出風(fēng)、下部回風(fēng)。建筑模型如圖3所示。為加強(qiáng)空腔內(nèi)的換熱效果，并且阻止從通風(fēng)口進(jìn)入空心內(nèi)墻的熱空氣短路，用隔板將空心內(nèi)墻劃分為4個(gè)流道，如圖4所示。

圖3 建筑模型圖

圖4 空心內(nèi)墻剖面圖

2.2 計(jì)算方法及其驗(yàn)證

本文采用EnergyPlus軟件模擬建筑室內(nèi)溫度及采暖負(fù)荷，將太陽(yáng)能空氣集熱器與空心內(nèi)墻中的空腔劃分為多個(gè)區(qū)域（如圖5所示），利用EnergyPlus中的ZoneMixing模塊將這些區(qū)域串聯(lián)，使整個(gè)傳熱過(guò)程更加接近實(shí)際傳熱過(guò)程。ZoneMixing是從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的簡(jiǎn)單空氣交換，該交換過(guò)程僅影響“接收”區(qū)域的能量平衡，而不會(huì)對(duì)“源”區(qū)域產(chǎn)生任何影響[9]。為驗(yàn)證此方法的有效性，利用Fluent三維模擬結(jié)果驗(yàn)證EnergyPlus的計(jì)算結(jié)果。圖6是兩種方法得出的空心通風(fēng)內(nèi)墻熱流密度，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本相同，空心內(nèi)墻傳熱量最大誤差5.3%，因此該方法計(jì)算空心通風(fēng)內(nèi)墻傳熱是準(zhǔn)確的。

圖5 空腔與集熱器分區(qū)模型

圖6 空心內(nèi)墻熱流密度

為分析太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱供暖系統(tǒng)的效果，選取圖3建筑模型中的中間房間為研究對(duì)象，對(duì)比分析以下三種工況下的室內(nèi)溫度及采暖負(fù)荷情況：

工況一：無(wú)集熱器與空心內(nèi)墻的普通房間；

工況二：將集熱器產(chǎn)生的熱空氣直接通入普通房間（集熱器傳統(tǒng)應(yīng)用方法）；

工況三：集熱器結(jié)合空心內(nèi)墻蓄熱作用下的房間。

模擬時(shí)不考慮建筑室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備等熱源，空氣滲透量為0.5次/h（按換氣次數(shù)計(jì)算），集熱器風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)間段為10:00～18:00，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為360m3/h。

3 結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)溫度分析

我國(guó)幅員遼闊，氣候差別較大，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展很不均衡，且人們的生活習(xí)慣與行為方式不同，導(dǎo)致人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的期望值有所差異[10]。衛(wèi)生學(xué)將12℃作為建筑熱環(huán)境的下限溫度，文獻(xiàn)[10]提出適合嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅冬季室內(nèi)舒適溫度區(qū)間為15～18℃。我國(guó)青藏高原地區(qū)人民生活水平較低，且長(zhǎng)期處于寒冷環(huán)境中，已經(jīng)習(xí)慣于較低的室內(nèi)溫度，因此本文將15℃作為青藏高原普通居住建筑冬季可接受的室內(nèi)溫度，即最低熱舒適溫度。

圖7 典型日室內(nèi)溫度

圖7為甘孜州冬季典型日不同工況下的室內(nèi)溫度變化圖，圖中IT為室外太陽(yáng)輻射照度，Tair為室外空氣溫度，TN1為工況一的室內(nèi)空氣溫度，TN2為工況二的室內(nèi)空氣溫度，TN3為工況三的室內(nèi)空氣溫度。圖中工況一室內(nèi)溫度范圍為7.2～9.4℃，夜間（20:00～8:00）最低溫度7.3℃，無(wú)法滿足最低熱舒適溫度要求；工況二室內(nèi)溫度范圍為10.5～18.2℃，夜間最低溫度10.6℃，室內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在15:00，這是由于白天集熱器將產(chǎn)生的熱空氣直接送入室內(nèi)造成的，其中12:00～18:00室內(nèi)溫度達(dá)到最低熱舒適溫度15℃的要求；工況三室內(nèi)溫度范圍為13.7～15.7℃，夜間最低溫度13.8℃。工況三白天將來(lái)自集熱器的一部分熱量蓄存在空心內(nèi)墻中，到夜間再逐漸釋放到室內(nèi)，因此該工況下室內(nèi)最高溫度低于工況二室內(nèi)最高溫度，且由于建筑熱質(zhì)的熱惰性，使得最高溫度時(shí)間相比工況二存在2h的延遲。工況三利用空心內(nèi)墻的蓄放熱特性有效提高了夜間室內(nèi)溫度，夜間最低溫度相比工況一提高6.5℃，相比工況二提高3.2℃，且在13:00～22:00室內(nèi)溫度達(dá)到最低熱舒適溫度15℃的要求。

圖8統(tǒng)計(jì)了整個(gè)采暖期的夜間室內(nèi)溫度，可以看出在整個(gè)采暖期中，工況一夜間室內(nèi)溫度高于12℃的時(shí)間僅有15%，工況二有42%，而工況三達(dá)到了85%，并且有28%的時(shí)間，其夜間室內(nèi)溫度高于最低熱舒適溫度15℃。由此可見(jiàn)太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱供暖系統(tǒng)能夠有效提高夜間室內(nèi)溫度。

圖8 采暖期夜間室內(nèi)溫度時(shí)間占比

3.2 采暖負(fù)荷分析

根據(jù)第3.1節(jié)模擬結(jié)果可知，由于集熱器供熱能力有限，使得夜間室內(nèi)溫度并不能完全滿足最低熱舒適溫度要求。因此考慮在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加輔助加熱設(shè)備，探討其與采暖設(shè)備共同作用下的節(jié)能潛力。由于模擬建筑為普通居住建筑，人員在室時(shí)間多為晚上，因此輔助加熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)間段為20:00～8:00。圖9分別分析了在室內(nèi)衛(wèi)生溫度下限12℃與最低熱舒適溫度15℃下采暖期室內(nèi)輔助加熱設(shè)備的夜間采暖負(fù)荷。從中可以看出，在保證室內(nèi)最低溫度12℃時(shí)，工況三相比工況一和工況二夜間采暖負(fù)荷分別減少71.4%與68.5%，保證室內(nèi)最低溫度15℃時(shí)，分別減少56.8%與51.6%。

圖9 不同采暖溫度下夜間室內(nèi)采暖負(fù)荷

工況三利用空心內(nèi)墻的蓄熱作用，大大提高了太陽(yáng)能空氣集熱器的整體供熱效率，使得在太陽(yáng)能充足的白天，集熱器能夠?qū)⑻?yáng)能蓄存在空心內(nèi)墻中，并于夜間釋放至室內(nèi)，從而降低夜間的采暖負(fù)荷，而工況二只是在白天通過(guò)集熱器向室內(nèi)供熱，夜間并不向室內(nèi)供熱，因此工況三相比工況二更具有節(jié)能潛力。

4 結(jié)論

本文提出了一種可應(yīng)用于高寒地區(qū)的太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱的新型供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用建筑內(nèi)墻儲(chǔ)存太陽(yáng)能空氣集熱器白天收集的熱量，并于夜間釋放至室內(nèi)，提高室內(nèi)夜間溫度。相比無(wú)該系統(tǒng)的普通房間（工況一）及將熱空氣直接通入普通房間的集熱器傳統(tǒng)應(yīng)用方法（工況二），其夜間室內(nèi)最低溫度分別提高6.5℃與3.2℃，從而有效改善了室內(nèi)熱舒適性。太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱系統(tǒng)并不能使室內(nèi)溫度完全滿足最低熱舒適溫度15℃的要求。采用輔助采暖設(shè)備并保證室內(nèi)最低溫度12℃時(shí)，相比工況一與工況二夜間采暖負(fù)荷分別減少71.4%與68.5%，當(dāng)保證室內(nèi)最低溫度15℃時(shí)，分別減少56.8%與51.6%。相比傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器的使用方法，新系統(tǒng)更加具有節(jié)能潛力。

太陽(yáng)能空氣集熱結(jié)合空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄熱供暖系統(tǒng)的作用效果受較多因素的影響，如室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、集熱器面積、窗墻比、循環(huán)風(fēng)量、內(nèi)墻體厚度及材料特性等。本文僅介紹該系統(tǒng)基本原理及熱特性，其影響因素、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等問(wèn)題將在下一步工作中進(jìn)行研究。

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Analysis of Indoor Air Temperature and Heating Load of a System Combining Hollow Interior Wall with Solar Air Collector

Liu Bowan Lei Bo Yu Tao

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

A new heating system combining the ventilated hollow interior wall with a solar air collector is presented in this paper. The interior wall in the system can store the heat collected by the solar air collector during the daytime and release it to the room during the nighttime, which increases the indoor air temperature at night and reduce the heating load. The software-EnergyPlus is used to evaluate the indoor air temperature and the heating load in this paper. Compared with the room without this system and the traditional application of the solar air collector, this system can increase the nighttime minimum indoor air temperature by 6.5 °C and 3.2 °C and reduce the nighttime heating load by 56.8% and 51.6%, respectively. This system has a good promotional value for residential buildings in the alpine region which is rich in solar energy.

solar air collector; ventilated hollow interior wall; heat storage; heating; simulation of thermal processes

TU832

A

1671-6612（2019）03-310-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“耦合太陽(yáng)能熱源的空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄傳熱特性研究”（51708453）

劉伯萬(wàn)（1992.6-），男，在讀碩士研究生，E-mail：985809780@qq.com

余 濤（1987.8-），男，博士，講師，E-mail：yutao073@sina.com

2018-05-10