新疆和田地區(qū)農村建筑太陽能利用適宜性分析

孔維亮，陳 寧，鄒浩娜

（新疆建筑科學研究院有限責任公司，烏魯木齊 830054）

新疆和田地區(qū)屬典型的內陸干旱區(qū)，位于歐亞大陸腹地，氣候屬于溫帶荒漠氣候，它是中國光能資源比較豐富的地區(qū)。豐富的太陽能資源為解決農村常規(guī)能源短缺問題，提高居住環(huán)境質量，減少環(huán)境污染提供了有利條件。本文結合和田地區(qū)的太陽能資源狀況和氣候特點，開展太陽能利用價值評估，分析了和田地區(qū)農村建筑利用太陽能的可行性。

1 新疆和田地區(qū)太陽能資源狀況

太陽總輻射量、光照狀況以及環(huán)境溫度是影響太陽能利用的主要因素。有研究對新疆氣象資料做了統計，從影響因素角度入手，分析了和田地區(qū)太陽能的時空分布特征、分布規(guī)律和可利用性。

1.1 太陽總輻射量

和田地區(qū)全年太陽總輻射量為5 800～6 200 MJ/m，屬于太陽能次豐富地帶，全年的日照時數為2 500 ～3 100 h。

1.2 光照狀況

太陽直達輻射量占總輻射量的比值影響太陽能利用效率，和田地區(qū)四季多風沙，2—8月，由于沙塵暴的影響，大氣透明度下降，致使直達輻射量小于總輻射量的45%，9—12月風沙減少，太陽直接輻射量增加，有利于太陽能利用。新疆和田地區(qū)月直達輻射量與總輻射量的比值如圖1 所示。

圖1 新疆和田地區(qū)月直達輻射量與總輻射量的比值

在太陽能的利用實踐中，通常認為年內日照時數≥6 h 的天數越多，太陽能利用的天數越長，太陽能利用效率越高。1961—1985年，歷年各月日照時數≥6 h 的平均天數如圖2 所示，月平均天數合計251.4 d。由圖2 可以看出，太陽能利用有利季節(jié)是秋季，不利季節(jié)是冬季。

圖2 累年各月日照時數≥6 h 的平均天數

2 新疆和田地區(qū)氣候特點

和田地區(qū)屬極端干旱的溫帶荒漠氣候區(qū)，春季多沙塵暴、浮塵天氣，夏季炎熱干燥，四季多風沙，每年沙塵天氣的出現天數超過220 d。

2.1 設計用主要室外氣象參數

采暖室外計算溫度為-8.6 ℃，計算采暖期為11月15日至翌年3月15日。和田地區(qū)冬季最多風向為WSW，年平均氣溫為13.6 ℃，氣溫年較差及晝夜溫差大，年溫度分布如圖3 所示。

圖3 逐月最低、最高及平均溫度

2.2 溫度-時間分布

環(huán)境溫度影響太陽能利用效率，在有日照的條件下，如果環(huán)境溫度低，太陽能的利用效率會降低。太陽能利用中，一般擬定氣溫10 ℃為指標，當日平均溫度≥10 ℃時，太陽能利用裝置能發(fā)揮正常作用，低于10 ℃時便不能發(fā)揮正常作用。和田地區(qū)11月至翌年3月溫度-時間的分布如表1 所示。12月、1月的月平均溫度低于0 ℃，由于溫差較大，白天僅有3 ～5 h 高于0 ℃；2月和11月，80%以上的時段溫度高于0 ℃；3月與10月，所有時段溫度基本高于0 ℃，高于10 ℃的小時數約占60%。

表1 溫度-時間分布

通過對和田地區(qū)光照狀況和溫度分布特點進行分析，1月與12月大部分時段溫度低于0 ℃，2月溫度有所升高，但日照時數≥6 h 的天數只有15 d 左右，3—4月沙塵天氣嚴重，直達輻射量小于總輻射量的40%，10—11月太陽直達輻射量占比高，平均溫度較高。

3 太陽能利用價值評估

綜合分析和田地區(qū)的太陽輻射狀況和室外溫度，判斷太陽能利用價值，利用綜合氣象因數（）評估冬季太陽房采暖利用價值。綜合氣象因數為南墻面入射太陽輻射月平均日總量和度日值的比值?！掇r村居住建筑節(jié)能設計標準》（GB/T 50824-2013）規(guī)定，室內計算溫度為14 ～16 ℃，參考該標準，基礎溫度取14 ℃。這時，綜合氣象因數的計算公式為：

式中：為基礎溫度為14 ℃時的綜合氣象因數，kJ/（m·d·℃）；S為第月入射在南墻面上的太陽輻射月平均日總量，kJ/（m·d），如表2所示；DD為第月度日值，℃·d。

表2 綜合氣象因數相關計算參數的數值

按照理論計算及實測結果，＞12 kJ/（m·d·℃）的地區(qū)建造被動式太陽能建筑，能夠獲得一定的節(jié)能效益；＞20 kJ/（m·d·℃）的地區(qū)不采用輔助熱源，室內可維持較理想的溫度。

和田地區(qū)總輻射量很大，但受沙塵浮塵天氣影響，月直達輻射量占總輻射量的比重介于37%～61%。用月直達輻射量替代總輻射量，經計算，和田地區(qū)為15.6 kJ/（m·d·℃），小 于20 kJ/（m·d·℃）。所以，和田地區(qū)建造被動式太陽能建筑，能夠獲得一定的節(jié)能效益，但在無輔助熱源情況下，室內溫度不能滿足14 ℃的最低水平。

4 和田地區(qū)農村建筑被動式太陽能應用形式

被動式太陽能應用是指不借助機械裝置，冬季直接利用太陽能進行采暖，夏季采用遮陽散熱。應用方式主要有直接受益式、集熱蓄熱墻式和附加日光間式。直接受益式是利用南窗直接接受太陽輻射，供熱效率較高，室內溫度波動較大。集熱蓄熱墻式是在南向外墻除窗戶以外的墻面上覆蓋玻璃，墻表面涂成黑色，提高墻體外表面太陽輻射吸收率，減少輻射散熱，使該墻體成為集熱體和儲熱器。附加日光間式在建筑的南側采用玻璃等透光材料建造可封閉空間，空間內的溫度會因溫室效應而升高。根據和田地區(qū)的氣象條件，劉鑫采用DesignBuilder 軟件建立太陽房模型，在圍護結構墻體和屋頂都有好的保溫性能，窗戶保溫性能和氣密性良好的前提下，得出直接受益式、集熱蓄熱墻式和附加日光間式的室內實效溫度在日間的大部分時間均可比室外高出8 ～15 ℃，差別不大。

相比較而言，太陽能直接受益式技術簡單，室內升溫快，不需要特別管理；集熱蓄熱墻式和附加日光間式構造復雜，造價相對較高。和田地區(qū)傳統民居考慮到保溫隔熱、防盜和私密性要求，其形成了外墻開小窗、高窗的特點，但對室內采光和通風影響很大，基本上很難滿足要求。隨著各種新型門窗發(fā)展，其保溫隔熱性能、氣密性等都有很大的提高，冬季陽光通過南向窗戶直接照射到室內，使室內溫度升高，部分太陽能被地面及墻面吸收后蓄熱，減少了常規(guī)能源的使用。

5 結論

選擇被動式太陽能應用技術時，應考慮地域文化特點、地區(qū)氣候以及經濟水平等因素。集熱蓄熱墻式需要將墻表面涂成黑色，不符合和田地區(qū)居民的審美要求，附加日光間式與當地人生活習慣不符，二者都不宜采用。由于和田地區(qū)農村經濟技術水平相對落后，采用直接受益式更符合當地的實際情況，可提高室內熱舒適性并能獲得一定的節(jié)能效益，其在農村地區(qū)新建建筑施工和既有建筑改造中值得推廣。