嚴寒地區(qū)主被動太陽能協(xié)同采暖室內(nèi)舒適度研究

李金平，王兆福，王 航，黃娟娟，王春龍

(1. 蘭州理工大學 西部能源與環(huán)境研究中心，甘肅 蘭州 730050；2. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點試驗室，甘肅 蘭州 730050；3. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730050；4. 蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

甘南藏族自治州是中國十個藏族自治州之一，位于中國甘肅省西南部，地處青藏高原東北邊緣與黃土高原西部過渡地段.該地區(qū)常年氣溫較低，晝夜溫差大，冬季采暖季長達7個月，但是該地區(qū)日照輻射強烈，太陽能資源十分豐富.所以高效低成本的利用當?shù)氐奶柲?，解決當?shù)亟ㄖ挠媚苄枨缶哂兄匾饬x.

國內(nèi)外很多學者已經(jīng)對太陽能采暖建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進行了大量的研究.中國科學技術(shù)大學的崔玉清等人[1]采用數(shù)值模擬的方式對大連地區(qū)采用太陽能炕和Trombe墻相結(jié)合的新型太陽能采暖系統(tǒng)進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：該復(fù)合系統(tǒng)在無輔助熱源時白天能夠滿足室內(nèi)采暖需求，但夜間室內(nèi)溫度較低.王登甲等人[2]對青藏高原地區(qū)Trombe墻式太陽房進行了測試分析，發(fā)現(xiàn)Trombe式太陽房具有較好的集熱和蓄熱性能；通風孔在日出后2～3 h開啟、日落前1 h關(guān)閉效果最佳；該地區(qū)Trombe墻日平均熱效率可達69.7%；節(jié)能率可達72.8%.陳明東等人[3]通過對附加陽光間與節(jié)能火墻耦合供暖的房屋及相同結(jié)構(gòu)的對比房室內(nèi)溫度及室外溫度的監(jiān)測，研究了寒冷季節(jié)室內(nèi)溫度隨室外氣象條件變化情況.結(jié)果表明：耦合供暖房屋室內(nèi)平均空氣溫度比對比房室內(nèi)平均空氣溫度高10.1 ℃，最高溫差達13.2 ℃，最低溫差 5.4 ℃，節(jié)能率為 72.8%，證明了該地區(qū)改造附加陽光間和節(jié)能火墻是可行且經(jīng)濟的.蘭州理工大學李金平等人[4]對位于甘肅省武威市民勤縣張麻新村的一座單體建筑進行節(jié)能改造，并通過主動式太陽能低溫地板進行冬季采暖，并在2個采暖季分別進行了對比試驗，研究結(jié)果表明：太陽能低溫地板采暖效果最好，在環(huán)境最低氣溫10 ℃時，室內(nèi)平均溫度能達到14 ℃，太陽能保證率為60.3%，二氧化碳減排量為6.22 t，靜態(tài)投資回收期3.34a，具有良好的經(jīng)濟環(huán)保效益.王崗等人[5]構(gòu)造了一套太陽能—熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，分別從室內(nèi)溫度、制熱量、熱泵COP、集熱效率、發(fā)電效率等方面對系統(tǒng)進行實驗研究與理論分析，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本能滿足冬季采暖負荷要求.Shan M等[6]建立了包括被動式太陽房、主動式太陽熱水和空氣源熱泵組成的供暖系統(tǒng).在寒冷氣候區(qū)，對各子系統(tǒng)的詳細運行性能進行了對比分析.研究發(fā)現(xiàn)：該集成系統(tǒng)在冬季可以維持穩(wěn)定舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，建筑消耗電能僅占供暖總能量的三分之一左右.Rekstad J等[7]通過試驗對比研究了太陽能主動式供暖和空氣—水源熱泵供暖，結(jié)果表明太陽能主動式供暖能耗比空氣—水源熱泵供暖低15%～20%.

綜上所述，太陽能采暖確實能極大的改善室內(nèi)熱舒適，且國內(nèi)外學者還未將主動式太陽能低溫地板采暖技術(shù)，太陽能水暖炕技術(shù)和被動式太陽房結(jié)合起來在藏區(qū)進行冬季采暖試驗研究，該研究對于改善當?shù)芈浜蟛膳绞骄哂兄匾饬x.

1 試驗

1.1 試驗對象

測試對象為一座位于甘南藏族自治州合作市佐蓋曼瑪鄉(xiāng)上浪坎木的單層民居建筑.建筑面積170 m2，其中采暖面積60 m2.建筑外墻由三部分組成，外部由石頭與土堆砌而成，約650 mm，內(nèi)部為厚50 mm的木質(zhì)板，兩者之間為約100 mm的空氣層，陽光間內(nèi)墻體的主體材料為多孔磚，厚度為130 mm，房屋內(nèi)部用50 mm的木板隔開.陽光間由3 mm厚玻璃拼建而成，高2.5 m，面積為35 m2.測試建筑平面圖如圖1所示.其中，客廳、左面臥室以及書房為采暖房間.

圖1 建筑平面布置和尺寸圖(單位：mm)Fig.1 The layout and size of the building (Unit: mm)

地暖盤管采用管徑為DN20的PE-RT管材，盤管采用迂回型方式布置，管道鋪設(shè)間距200 mm，管徑20 mm；地板采暖的地板構(gòu)造如圖2所示，保溫層為聚苯乙烯擠塑板，保溫層上面為凹槽式地暖板復(fù)合鋁箔導(dǎo)熱層地暖模塊，地暖盤管就盤在地暖模塊的凹槽里，填充層為水泥砂漿.臥室有三張水暖床，采暖所用的7組太陽能集熱器選用太陽橋公司生產(chǎn)的太陽能真空管集熱器，真空管管長1.8 m，管徑為58 mm，集熱器保溫水箱容積為250 L.太陽能低溫地板與陽光間結(jié)合，共同構(gòu)成了太陽能主被式采暖系統(tǒng)，主動式太陽能采暖系統(tǒng)圖如圖3所示.太陽能主動式采暖系統(tǒng)采用時間控制策略，有白天防凍和夜間供暖兩種模式.防凍模式運行時間為8:00～18:00，每個小時供暖泵循環(huán)5 min，如：8:00～8:05泵運行，8:05～9:00泵停止運行；供暖模式運行時間為18:00～8:00，每個小時泵循環(huán)30 min，如：18:00～18:30泵運行，18:30～19:00泵停止運行.

圖2 太陽能地板采暖地板構(gòu)造示意圖Fig.2 Schematic diagram of the floor structureof solar floor heating

1.真空管太陽能集熱器陣列 2.球閥 3.供暖循環(huán)泵4.地暖盤管 5.水暖床 6.控制箱圖3 太陽能的主動測試系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of the active measurement system for solar energy

1.2 測試方案

由于測試所在地點海拔高，晝夜溫差大，冬季采暖季長，所以課題組與2018年3月20日～2018年5月6日對試驗建筑進行冬季采暖測試.室內(nèi)熱環(huán)境測試參數(shù)主要分為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和室外環(huán)境參數(shù).室內(nèi)環(huán)境參數(shù)主要包括：室內(nèi)溫濕度、圍護結(jié)構(gòu)各內(nèi)壁面溫度、陽光間溫度；室外環(huán)境參數(shù)主要包括：室外溫濕度、太陽輻射強度.依據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》(GB/T 50785-2012)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測點布置如圖4所示.測點A～K均為溫度測點，測點B和測點K分別為室內(nèi)空氣溫度和陽光間溫度測點，同時在B點1.7 m處還布置有室內(nèi)風速和濕度測點.測點A和C為地面溫度測點，分別位于地面對角線的兩個等分點處.測點D～H為墻面溫度測點，距地面1.5 m.以上參數(shù)采用 Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀自動采集和記錄，設(shè)置掃描間隔為10 s.

圖4 測試建筑測點圖Fig.4 Testing point map of building test

表1 測試參數(shù)及儀器

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 室外環(huán)境測試

2.1.1 太陽輻射強度

測試期間太陽輻射強度峰值為1 310 W/m2，單天的平均有效太陽輻射強度最高為796 W/m2，有效太陽輻射時間最長為10.39 h，最短為0.49 h，平均時長為8.64 h，由表2可知，測試期間，62.5%的天數(shù)日有效太陽輻射時間為9 h以上.單天的太陽輻射量最高為29.50 MJ/m2，最低為2.54 MJ/m2，平均每天的太陽輻射量為21.33 MJ/m2.通過測試可以看出，這一地區(qū)冬季日照時間長，太陽輻射強度較高，具有良好的太陽能利用條件.

本文選用4月6日作為代表日進行分析，太陽輻射強度隨時間的變化情況如圖5所示，當日的有效太陽輻射時間為10.25 h，有效日照從早上8:11到下午18:26，峰值出現(xiàn)在中午13:00左右，其值約為1 170 W/m2.

表2 整個測試期間有效太陽輻射時長的分布

圖5 典型日的太陽輻射強度Fig.5 Solar radiation intensity in typical days

2.1.2 室外環(huán)境溫度和濕度

代表日當天的室外溫濕度測試結(jié)果如圖6所示.可以看出：測試期間，室外的平均溫度為-3 ℃；最低溫度為-11 ℃，出現(xiàn)在凌晨5:17；最高溫度為6.6 ℃，出現(xiàn)在15:30；全天溫差為17.5 ℃.

圖6 環(huán)境溫濕度Fig.6 Temperature and humidity in outdoor environment

室外的相對濕度變化幅度很大，由于早晚的溫度低，霧氣較多，所以濕度較大；中午的太陽輻射強烈，溫度較高，所以濕度較低.一天內(nèi)測試得到的室外最高濕度為86.6%，最低濕度為9.8%.總之，室外環(huán)境在凌晨0:00～8:00和22:00以后處于濕冷的狀態(tài)；在中午12:00～18:00處于干冷狀態(tài).

2.2 太陽能主被動式采暖系統(tǒng)

2.2.1 太陽能被動式系統(tǒng)供熱量計算

被動式陽光間所集熱量通過南墻以導(dǎo)熱的形式傳到室內(nèi)，南墻分為兩部分，一部分為130 mm紅磚，面積為27 m2；一部分為玻璃窗戶，總面積9 m2.圖7為4月6日墻壁和窗戶玻璃內(nèi)外表面的溫度.根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型：

Qi=∑(Tsi-Tso)AiKit

(1)

式中：Qi為通過圍護結(jié)構(gòu)的的導(dǎo)熱量，J；Tsi為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，℃；Tso為圍護結(jié)構(gòu)外壁面溫度，℃；Ai為圍護結(jié)構(gòu)面積，m2；Ki為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；t為時間，s.

(2)

式中：λi為圍護結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；δi為各圍護結(jié)構(gòu)材料的厚度，m.

計算得當日太陽能被動式陽光間通過磚墻向室內(nèi)提供19.6 MJ熱量，通過窗戶玻璃向室內(nèi)提供94.1 MJ熱量.

圖7 南墻內(nèi)外壁面溫度Fig.7 Temperature of the inner and outer wall of the south wall

2.2.2 太陽能主動式系統(tǒng)供熱量計算

太陽能集熱陣列向室內(nèi)的供暖量可以根據(jù)公式(3)求得，地暖的供回水溫度及流量如圖8和圖9所示.

Q=∑cpm(Tin-Tout)t

(3)

式中：cp為水的比熱容，取4 200 J/(kg·℃)；m為供暖循環(huán)水流量，kg/s；Tin為地暖供暖進水溫度，℃；Tout為地暖供暖回水溫度，℃.

計算得當日太陽能主動式采暖系統(tǒng)給室內(nèi)提供501 MJ熱量，折合標煤17.1 kg(標煤的熱值為29.308 MJ/kg).

圖8 地暖供回水溫度圖Fig.8 The water supply and backwater temperature map of the ground heating

圖9 供暖流量圖Fig.9 Heating flow chart

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境測試

2.3.1 室內(nèi)豎直空氣溫度與陽光間溫度

為了描述地暖采暖房間內(nèi)溫度分布的均勻性，根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》(GB/T 50785-2012)，分別測試了豎直方向0.1、0.6、1.1、1.7 m處以及地面的溫度，測試數(shù)據(jù)整理如圖10所示.可以得出：室內(nèi)溫度在豎直方向，由下往上，依次遞減.地面溫度變化最明顯，在18:30開始供暖時，地面溫度突然升高，最高溫度達到24.5 ℃.豎直其他方向沒有明顯的分層現(xiàn)象，尤其是0.6和1.1 m處溫度幾乎重合在一起，相鄰高度之間的溫度差都小于1 ℃，腳踝和頭之間的最大溫度差僅為2 ℃左右，這個溫度差能夠滿足標準ASHRAE55-2010[8]的規(guī)定，并且根據(jù)人工冷熱源熱濕環(huán)境的評價等級規(guī)定[9]，該垂直空氣溫度差(LPD2)和地板表面溫度(LPD3)均符合Ⅰ級標準.室內(nèi)空氣溫度全天都在14 ℃以上，達到了《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GBT50824-2013)的規(guī)定.所以該地板采暖房間的室內(nèi)溫度較高且分布比較均勻，具有良好的熱舒適度.

圖10 室內(nèi)豎直方向溫度分布與陽光間溫度的變化曲線Fig.10 Curves of indoor vertical temperature distribution and temperature of sun room

陽光間內(nèi)的平均溫度為13.5 ℃；最高溫度達33 ℃；最低溫度低至3.8 ℃；溫差為29 ℃.陽光間在白天集熱能力強，可以通過導(dǎo)熱的方式將熱量傳至室內(nèi)，在夜間作為室內(nèi)向室內(nèi)散熱的緩沖區(qū)，減少房間熱損失.

2.3.2 平均輻射溫度MRT與體感溫度top

平均輻射溫度的定義為：如果一個封閉空間的內(nèi)表面為溫度一致的黑體表面，對于人體所造成的輻射換熱量與所研究的人所處的真實環(huán)境相同，那么該黑體表面的溫度就是就稱為真實環(huán)境的平均輻射溫度.平均輻射溫度MRT是研究室內(nèi)熱環(huán)境的重要參數(shù)，是確定室內(nèi)采暖需要重點考慮的參數(shù)之一[10].體感溫度top是指人體感覺到的環(huán)境溫度的高低，在大多數(shù)實際情況中體感溫度根據(jù)測試得到的空氣溫度與平均輻射溫度計算得到[9].

對代表日的客廳各壁面溫度數(shù)據(jù)進行整理，采用公式(4)進行計算[11]，估算出客廳室內(nèi)平均輻射溫度MRT(Mean Radiant Temperature).

MRT=∑AnTn/∑An

(4)

式中：An為客廳各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面面積，m2；Tn為各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃.

根據(jù)國家標準GB/T 50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》，當空氣流速小于0.2 m/s時，體感溫度可近似等于平均輻射溫度和空氣溫度的加權(quán)平均值，此時A取0.5，按下式計算：

top=Ata+(1-A)MRT

(5)

式中:top為體感溫度，℃；ta為空氣溫度，℃；A為系數(shù)，℃.

數(shù)據(jù)整理如圖11所示，由圖可以看出，室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度以及體感溫度的變化趨勢完全一致，平均輻射溫度MRT變化范圍為13.8～22 ℃，體感溫度變化范圍為14.5～21 ℃，在晚上入睡階段(22:30～24:00)，兩者都穩(wěn)定在18～20 ℃，室內(nèi)舒適度很好.

圖11 平均輻射溫度以及體感溫度隨時間變化Fig.11 Variation of mean radiation temperature and somatosensory temperature with time

2.3.3 室內(nèi)風速與室內(nèi)相對濕度

圖12為代表日當天室內(nèi)風速和室內(nèi)相對濕度隨時間的變化曲線，由圖可以看出：室內(nèi)相對濕度的波動范圍為42%～48%，滿足冬季室內(nèi)相對濕度為30%～60%的舒適區(qū)域[12].室內(nèi)風速基本維持在0附近，最高風速僅為0.06 m/s，基本無風感.室內(nèi)相對濕度和室內(nèi)風速的波動性都很小，較為穩(wěn)定，室內(nèi)熱舒適度較好.

圖12 室內(nèi)風速和室內(nèi)外相對濕度Fig.12 Indoor wind speed and indoor and outdoor relative humidity

2.4 熱舒適度評價

目前國際上常用的建筑室內(nèi)熱環(huán)境評價模型是丹麥學者Fanger提出的PMV-PPD評價指標，其中，PMV即預(yù)測平均投票數(shù)(Predicted Mean Vote)，PPD即預(yù)測不滿意百分數(shù)(Predicted Percentage of Dissatisfied).PMV-PPD綜合了空氣溫度、風速、空氣相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和人體新陳代謝率6個因素，是目前最為全面的熱環(huán)境評價指標[13].當PPD≤10%且-0.5≤PMV≤0.5時，此時的熱環(huán)境為Ⅰ級；當10%25%且|PMV|>1時，此時的熱環(huán)境為Ⅲ級[10].

參照標準[13]，取冬季農(nóng)民室內(nèi)活動代謝率為70 W/m2， 做功消耗熱量可忽略不計.經(jīng)實地調(diào)研，居民的基本著裝為：內(nèi)褲+背心+毛衣+外套+毛褲+外褲+厚襪+棉拖鞋，平均服裝熱阻為1.12 col(0.17 m2·K/W).服裝表面溫度和對流換熱系數(shù)由C++編程迭代計算得出，然后將可將代謝率、服裝熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、風速以及水蒸氣分壓代入PMV-PPD計算公式[13]，計算統(tǒng)計結(jié)果如圖13所示.

圖13 典型日全天的PMV-PPD指標Fig.13 PMV-PPD indicators for typical days of a typical day

由圖可以看出，代表日全天的室內(nèi)PPD≤10%且-0.5≤PMV≤0.5，全天室內(nèi)熱環(huán)境均符合國家Ⅰ級標準，人體熱感覺很舒適.

3 結(jié)論

(1)甘南藏區(qū)太陽能資源豐富，日照時間長，測試的48 d中，有30 d可以達到日有效太陽輻射時間9 h以上，具備利用太陽能進行冬季采暖的自然條件.

(2)在室外日平均溫度溫度為-3 ℃，最低溫度為-11 ℃時，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在14 ℃以上.在豎直方向，溫度沒有明顯的分層現(xiàn)象，室內(nèi)溫度分布比較均勻，室內(nèi)風速和濕度均滿足國家標準，室內(nèi)舒適度良好.

(3)根據(jù)Fanger熱舒適PMV-PPD評價體系，在室外日平均溫度溫度為-3 ℃，最低溫度為-11 ℃時，室內(nèi)滿足PPD≤10%且-0.5≤PMV≤0.5，熱環(huán)境等級為Ⅰ級，人體熱感覺很舒適.說明在主被動太陽能協(xié)同采暖在該地區(qū)具有很好的應(yīng)用效果.