浅层地热联合太阳能集热墙系统冬季室内供暖试验

杨婷婷，姜曙光，杨 骏，张俊龙，杨亮亮，宋旭鹏



浅层地热联合太阳能集热墙系统冬季室内供暖试验

杨婷婷1，姜曙光1※，杨 骏1，张俊龙1，杨亮亮2，宋旭鹏3

（1. 石河子大学水利建筑工程学院，石河子832000；2. 中建三局集团有限公司，武汉430064； 3. 塔城市裕民县机关事务管理局，塔城834800）

该文提出一种浅层地热联合太阳能集热墙系统，并在石河子地区对采用该系统的被动式太阳房进行了供暖测试研究，对比分析了试验房在不同供暖模式（C1对比房无任何采暖措施的模式、C2试验房未开地下室顶板通风口的供暖模式、C3试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的供暖模式）、不同天气状况（晴天、阴天）下的室内热环境。试验结果显示：试验房C3模式下室内平均温度比对照房室内平均温度高6.45 ℃，日较差为3.5 ℃；晴天时，试验房白天室内温度有5 h超过了12 ℃；阴天时，试验房室内外温差仍然达到9.52 ℃；当室外天气状况为晴天且空气质量指数（air quality index，AQI）符合二级标准限值情况下，试验房在采暖期内10月、11月、及次年的3月、4月，可仅依靠浅层地热联合太阳能集热墙系统满足室内温度的要求，节能效果显著。

供暖；太阳能；温度；浅层地热能；集热墙；地下室

0 引 言

近年来建筑业所产生和消耗的能耗占社会总能耗的百分比在不断增大，据国家部门统计，中国既有建筑中97%都是高耗能建筑[1-3]，建筑能耗已经占到社会总能耗的33%，可以折算成11亿t标准煤，随着城市化进程的加快，中国建筑能耗占能源总消费量比例最终将上升至35%左右[4]。尤其是在中国西北严寒地区的农村住宅，由于外围护结构保温性能差、供暖系统和热传递效率低，导致建筑采暖能耗过高[5]。被动式太阳房是具有结构简单、密封要求低、造价低廉、不需要防冻等特点[6]的一种特殊节能建筑，非常适合于该地区住宅的非集中供暖。然而，在被动式太阳房发展中出现了热稳定性差、舒适度不高的问题[7]，其主要原因是太阳能的不稳定性和分散性。针对以上问题，学者们开发和研究了许多与太阳能空气集热相匹配的建筑蓄热技术，例如太阳能墙[8-12]、太阳能耦合砾石床蓄热系统[13]、被动式太阳房四周围掩土体[14]、太阳能热风采暖系统[15-21]等技术。

浅层土壤的温度相对稳定，全年波动小，其温度波动随地层深度增加而出现衰减趋势，且具有时间上的延迟性。在冬季，因为温度波的这种衰减及延迟效应，使地层深处的温度处于较高的数值[22]。对于石河子地区太阳能资源丰富，年日照时数在2 721～2 818 h[23-26]，及当地农村建筑外围护结构保温性能差、采暖能耗高的特点，可以考虑合理设计地下室，利用其周围浅层土壤温度稳定的特性，来补偿太阳能的不稳定性。联合太阳能集热墙，提高在冬季夜间或阴雨天的室内温度，进而改善冬季太阳房的供暖效果。

基于以上分析，本文提出了一种浅层地热联合太阳能集热墙系统，并在石河子地区建成了1∶1的实体模型。通过对试验房和对比房实测研究，分析试验房在不同供暖模式（C1对比房无任何采暖措施的模式、C2试验房未开地下室顶板通风口的供暖模式、C3试验房采用浅层地热能联合太阳集热墙系统的供暖模式）、不同天气状况（晴天、阴天）下的室内热环境，从而为新疆严寒地区村镇被动式太阳房冬季供暖提供简单实用的技术参考。

1 试验概况

1.1 气候特点

石河子市位于天山北麓中段，古尔班通古特沙漠南缘（84°58′－86°24′E，43°26′－45°20′N），属于典型的温带大陆性气候，冬季长而寒冷，夏季短而炎热，全年降水稀少，气候干燥。根据石河子气象资料统计：年平均气温在7～8 ℃，最冷月出现在1月，月平均温度为−15.3 ℃，月平均最低温度为−20.8 ℃；最热月出现在7月，月平均温度为23.6 ℃，月平均最高温度为32.8 ℃，各月平均气温如图1所示。

图1 石河子市年气象数据

1.2 2016-2017年度采暖期概况

石河子地区气候分区均为严寒C区，采暖期为当年10月15日至次年4月15日[27]。根据《被动式太阳房热工技术条件和测试方法》（GB T15405-2006）[28]和新疆农村采暖水平实际情况，室内基础温度宜定为14 ℃[29]，考虑到此次试验是在无人居住、无内热源状态下测试的，所以基础温度可稍微降低定为12 ℃。根据中国环境检测总站石河子市艾青诗歌馆实时监测站点的数据统计可知：2016－2017年度采暖期内，城市日AQI（空气质量指数）符合二级标准限值天数只有89 d，占整个采暖期的46.99%，在最冷月1月城市日AQI全为三级及三级以上。由下表1统计该采暖期内各月份晴天天数为：10月份15 d，11月份23 d，12月份11 d，1月份0 d，2月份4 d，3月份27 d，4月份15 d。

表1 石河子市2016－2017年度采暖期内空气质量及天气状况统计表

1.3 试验房介绍

试验房位于石河子市近郊石河子大学试验场二连，正南向布置，建筑面积为176.4 m2，其平面布置图如图2所示。地上一层，层高为3.0 m，地下一层，层高为2.8 m，室内外高差为0.3m，地下室顶板标高−0.1 m，基顶标高为−3.2 m，地下室的南北墙在窗井标高为−0.7 m的位置处留设400 mm×400 mm的窗户。一层南墙选用集热板表面涂有无光蓝漆的太阳能集热墙，在集热墙上设置通风口中心距为1.5 m且直径为150 mm的圆形上、下通风口，并在距墙面100 mm处安装单框双层玻璃塑钢集热罩将集热墙连同窗一并覆盖，同时在地下室与一层之间设有6个直径为150 mm的圆形通风口。结构形式为砖混结构，为了减小建筑外墙的传热系数，防止室内热量向室外扩散，在建筑的外墙外侧均粘贴了100 mm厚的EPS聚苯板；同时，为了防止一层与地下室之间的传热，在地下室顶板也粘贴了50 mm厚的EPS聚苯板，其围护结构组成见表2。此外，选取了一幢与该试验房一层建筑面积、结构、布局相同的普通农宅作为对比房进行相应的热工参数测试。

a. 试验房一层平面图

a. First floor plan of experimental house

b.试验房地下室平面图

b. Basement of experimental house plan

1.卫生间 2.厨房 3.餐厅 4.卧室 5.客厅 6.门 7.储能室

1.Bathrooms 2.Kitchens 3.Restaurants 4.Bedrooms 5.Living rooms 6.Door 7.Energy storage rooms

图2 试验房平面布置图

Fig.2 Experimental house floor-plan

表2 围护结构组成

1.4 试验房冬季工作原理

试验房冬季原理图如下图3所示。

1.玻璃盖板 2.空气间层 3.集热板 4.EPS聚苯板 5.重质墙体 6.控制风阀 7.热空气 8.冷空气

在晴朗冬日白天，太阳能集热墙系统中的玻璃盖板和集热板吸收太阳辐射加热空气间层内部空气，当其达到一定温度时，开启集热墙上、下通风口，使空气间层内的热空气进入室内，促使室内的循环对流，并开启地下室通风口处具有强制交换上下层室内空气作用的控制风阀，将多余的热量储存在地下室。当需要新鲜空气或室外气温比较合适时，也可通过打开玻璃盖板下部进风口、关闭集热墙下通风口来对室外空气先加热再流入室内；夜间，关闭集热墙上、下通风口，开启地下室通风口，将白天蓄存在地下室的热量及浅层土壤的蓄热输送到上部空间以提高室内空气温度。

1.5 测试方法及仪器

按照《被动式太阳房技术条件与热性能测试方法》（GB/T 15405－2006）[30]的要求进行测试。测试仪器主要采用Vantage Pro2气象站（测量精度太阳辐射照度为5%、温度为0.5 ℃）、JTR08B多通道温湿度测试仪（测量精度温度为±0.3 ℃、湿度为±1%、TR001单温记录仪（测量精度温度为±0.5 ℃）、JTR07B多通道微风速测试仪（测量精度±（0.3 m/s+4%测量值）、JTDL-80温度与热流动态数据采集系统（测量精度温度为±0.5 ℃、热流为5%），对太阳辐射照度、室外温度、室内温湿度、通风口温度与风速、墙面壁温等数据进行自动监测，每30 min自动记录1次数据。室内温湿度测点位置为（，，），以室内南墙内墙面和西墙内墙面在地面的交点为原点（0，0，0），其中为距南墙的距离，为距西墙的距离，为距地面的高度；测点布置在室内几何中心点（2.1 m，1.5 m，1.5 m），为分析室内温湿度分布情况增设测点1、2、3，其位置为（1 m，0.7 m，0.5 m）、（2 m，1.4 m，1 m）、（3 m，2.1 m，1.5 m）。采用短期连续的测试方法从2016年10月15日－2017年4月15日进行测试。试验房的运行状态为无人居住、无内热源、无辅助热源的自然运行状态，南向集热墙上、下通风口开启时间为12∶00－18∶00，地下室通风口开启时间为12∶00－18∶00、00∶00－08∶00。具体试验模式如表3。

表3 试验模式

2 试验结果与分析

2.1 不同供暖模式下的室内温度分析

C1为对照房无任何采暖措施的模式；C2为试验房未开启地下室顶板通风口的供暖模式，因太阳能集热墙系统中的玻璃盖板和集热板吸收太阳辐射，使室内与空气间层产生正向热循环，从而达到为室内供暖的目的；C3为试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的供暖模式。在采暖期内室外温度相对较低的月份为2016年的12月以及2017年的1、2月，由上述表1统计数据可知，在这3个月中只有15 d晴天，且11 d集中在2016年12月上旬，4 d集中在2017年2月下旬。因此，笔者在这些晴天中选取了空气质量等级为优的2016年12月5日的测试数据对试验房在不同供暖模式下的室内温度进行阐述。

图4反映了C1、C2、C3模式下室内温度随室外温度及太阳能辐射照度的变化趋势。通过对试验数据的分析结果表明：在相同的室外气象条件下，C1模式下室内空气温度在0 左右，在11∶00－18∶00时间段接近于室外温度；相对于C1模式，C2模式采用了太阳能集热墙，室内平均温度为5.75 ℃，室内温度有了明显的提高，日较差为6.7 ℃，白天室内温度在开启集热墙上、下通风口后温度大幅度升高，在16：00时刻达到室内温度最大值9.2 ℃，说明使用太阳能集热墙的房间供暖效果较好，太阳能集热墙对于提高室内温度有明显的作用；试验房C3模式在采用太阳能集热墙供暖的基础上，利用蓄热地下室对上部房间进行热量蓄调，改善室内热湿环境，室内平均温度6.72 ℃，比C2模式、C1模式分别高0.97、6.45 ℃，C3模式室内温度的日较差为3.5 ℃，符合室温波动不大于6 ℃的设计要求，相对于C2模式6.7 ℃的日较差而言，可知地下室的蓄热作用有效地抑制了室温的波动，有助于缓解夜间室温的下降，提高了建筑的热稳定性。因此，采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的C3供暖模式更适用于当地的农宅。

图4 不同模式下室内温度及太阳辐照度逐时变化曲线

2.2 不同天气状况下的室内温度分析

上述2.1节已经讨论了天气状况为晴天时，试验房采用C3模式的室内温度优于C2模式的；而天气状况为阴天时，试验房采用C2模式的试验房为使室内不产生逆向冷循环，散失室内热量，需将集热墙上、下通风口关闭，没有了集热墙的热循环作用，只能通过晴天储存在集热墙内的热量来为室内供暖，而该部分的热量由于南向集热墙在集热板与墙体之间粘贴了100 mm厚EPS聚苯板，只有极少部分的热量能储存在墙体内，试验房在阴天采用C2模式通过墙体辐射散热并不能起到为室内供暖的效果。因此，在这一小节中我们将主要分析试验房采用C3模式在不同天气状况下（晴天、阴天）的室内热环境。图5a、图5b分别为晴天、阴天时对照房和采用C3供暖模式的试验房室内温度的日变化；表4为试验房在不同天气状况（晴天、阴天）下室内外温湿度、日较差、上下通风口最大温差、壁面温度、测点1、2、3温湿度等参数的数值分析描述。在采暖期内室外温度相对较高的月份为2016年的10、11月以及2017年的3、4月，由上述表1统计数据可知，3月份的晴天天数最多，为27天。因此，笔者选取了2017年3月空气质量等级为优的24日、10日的测试数据对采用C3模式的试验房在不同天气状况（晴天、阴天）下的室内温度进行阐述。

a. 晴天（3月24日）

a. Sunny days (March 24th)

b. 阴天（3月10日）

表4 C3模式下不同天气状况下室内外各项参数数值统计

晴天时，由图5a及表4可知：在相同室外气象条件下，试验房室内空气温度明显高于对照房，全天基本上处于9.4～13 ℃之间，且白天室内温度有5 h超过了12 ℃，在没有辅助热源的条件下，基本满足了冬季采暖的要求；集热墙的上下通风口最大温差达到了26.69 ℃，说明在晴天天气状况下，浅层地热联合太阳能集热墙系统的空气间层内空气与室内空气产生了明显的热循环；在夜间较低的室外温度下，试验房室内温度能维持在9.5 ℃左右，且温度变化缓慢，日较差为3.6 ℃，保证了建筑的热稳定性；试验房室内平均温度为10.41 ℃，南、北墙平均温度为11.97、6.69 ℃，测试点1、2、3的温度为9.61、9.87、10.74 ℃。通过上述数据分析可知试验房室内温度分布情况：室内温度横向上表现为由南向北逐渐降低、纵向上表现为由低向高逐渐增加；测试点1、2、3的湿度为67.49%、66.44%、64.51%。室内湿度则表现为由低向高逐渐减小，主要原因是地下室湿度较大，在对上部空间输送热量的同时增加了室内湿度。

阴天时，由于较弱的太阳辐射照度，空气间层内空气与室内空气没有或仅有很微弱的热循环，甚至由于很低的室外温度可能出现逆向热循环[31]，因此，全天关闭集热墙的上、下通风口，开启地面通风口，考虑通过地下室蓄存的热量及浅层土壤的蓄热输送到上部空间来提高室内空气温度。由图5b及表4可知：在相同室外气象条件下，试验房室内空气温度明显高于对照房，全天室内温度维持在4.3 ℃左右，且温度变化平缓有轻微下降的趋势，说明在阴天天气状况下，地下室的蓄能和浅层地热能对改善试验房室内热环境起到了积极的作用；试验房室内平均温度为4.18 ℃，室内外温差为9.52 ℃，南、北墙平均温度为4.63、4.26 ℃，测试点1、2、3的温度为4.31、4.18、4.06 ℃，湿度为74.30%、73.89%、73.65%。

通过上述数据分析可知：由于阴天没有集热墙的热循环作用，试验房由南向北没有产生明显的温度梯度，且测点1的温湿度＞测点2的温湿度＞测点3的温湿度，验证了试验房在阴天时的供暖方式是通过地下室蓄存的热量及浅层土壤的蓄热输送到上部空间来提高室内空气温度。

2.3 采暖周期变化情况

对采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的试验房在采暖期（2016年10月15日－2017年4月15日）内的测试数据进行统计得表5，由表1和表5可知：2016年10月15－31日中共有15 d晴天符合空气质量二级标准限值，且白天室内温度有5 h≥12 ℃；11月中共有23 d晴天符合空气质量二级标准限值，且白天室内温度有5h≥12 ℃；12月中共有11 d晴天符合空气质量二级标准限值，但白天室内温度有5 h≥12 ℃的天数只有6 d；2017年1月中有2 d晴天，符合空气质量二级标准限值的天数为0，白天室内温度有5 h≥12 ℃的天数为0；2月中有4 d晴天符合空气质量二级标准限值，且白天室内温度有5 h≥12 ℃；3月中共有22 d晴天符合空气质量等级二级标准限值，且白天室内温度有5 h≥12 ℃；4月1－15日中共有15 d晴天符合空气质量二级标准限值，且白天室内温度有5 h≥12 ℃。

通过上述数据分析可知：在2016年10月15日-11月30日、2017年3月1日－4月15日，若室外天气状况为晴天且AQI（空气质量指数）符合二级标准限值时，试验房室内空气温度能够满足农宅在无人居住和无辅助热源状态下白天室内温度有5 h≥12 ℃的要求；而在2016年12月1日-2017年2月28日中只有10 d符合白天室内温度有5 h≥12 ℃的要求。在整个采暖期（2016年10月15日－2017年4月15日）183 d内共有89 d室内温度符合要求，其中88.76%的天数集中在采暖期内的10月、11月、及次年的3月、4月。

表5 2016－2017年采暖期内各月份白天室内温度有5 h≥12 ℃的天数统计表

3 结 论

对石河子地区采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的试验房与对比房在供暖周期内（2016年10月15日－2017年4月15日）进行冬季供暖试验的测试，通过3种供暖模式（C1为对比房无任何采暖措施的模式、C2为试验房未开地下室顶板通风口的供暖模式、C3为试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的供暖模式）、不同天气情况（晴天、阴天）的对比分析，得出以下结论：

1）浅层地热联合太阳能集热墙系统充分利用太阳能集热墙和地下室的土壤蓄热，有效地提高了试验房的室内温度和热稳定性。试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统C3供暖模式的室内平均温度比C2模式、对比房C1模式的室内平均温度分别高0.97 、6.45 ℃，日较差为3.5 ℃且夜间室内温度下降缓慢。

2）晴天时，试验房室内空气温度明显高于对比房，全天基本上处于9.4～13 ℃之间，且白天室内温度有5 h超过了12 ℃，在没有辅助热源的条件下，基本满足了冬季采暖的要求；试验房室内温度分布由南向北逐渐降低、由低向高逐渐增加，并且横向降低的幅度小于纵向增加的幅度。

3）阴天时，试验房室内温度相对较低，但室内外温差仍然达到9.52 ℃，全天室内温度维持在4.3 ℃左右，且温度变化平缓有轻微下降的趋势；试验房室内温度分布横向没有产生明显的温度梯度，纵向上则表现为由低向高逐渐降低。

4）大幅度缩短了采暖周期，试验房在采暖期内10月、11月、及次年的3月、4月，仅依靠浅层地热联合太阳能集热墙系统可满足室内温度的要求，采暖期缩短了89 d，节能效果显著。

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Experiment on heating system combined shallow geothermal energy with solar wall in winter

Yang Tingting1, Jiang Shuguang1※, Yang Jun1, Zhang Junlong1, Yang Liangliang2, Song Xupeng3

(1.,,832000,; 2.,430064,; 3.,834800,)

Passive solar energy heating technology of the solar wall using air as heat-conducting medium for heating has been widely applied, with the advantages of simple structure, low cost and high heat collecting efficiency, and is suitable for non centralized heating of the rural residence in the severe cold area of Xinjiang, China. However, due to the instability and dispersion of solar energy, some problems of poor stability and comfortlessness gradually occurred in the application of the passive solar house. Therefore, we should consider the rational design of the basement and compensate for the instability of solar energy by using the relatively stable characteristics of the temperature of surrounding shallow soil. Combined with the solar heat collecting wall, the indoor temperature at night in winter or on rainy days would be enhanced, and the heating effect of the solar house in winter would be improved. A system of shallow geothermal energy combined with the solar collecting wall was proposed, and a solid model of 1:1 in Shihezi area was built in this paper. On the sunny day in winter, the glass cover-plate and the heat collecting plate of the solar wall system absorbed the solar radiation to heat internal air of the air bay layer. When it reached a certain temperature, the ventilation scoop of solar collecting wall made hot air into the interior, which would then make the indoor convection. Then the control valve of the basement vents was opened to store redundant heat there. At night, the wall was closed and the air vent was opened in the basement. The heat stored in the basement and accumulated in the shallow soil was transported to the upper space so as to heighten the indoor air temperature. Heating test was carried out in passive solar house in Shihezi with the system, and the indoor thermal environment was comparatively analyzed under different heating modes (C1, C2, C3) and different weather conditions (sunny, cloudy). Among them, C1 was the control room without any heating measure; C2 was the test room with closed roof vents of basement, only considering the heating effect of south heat collecting wall; C3 was the test room using the heating mode of combining the shallow geothermal energy with solar wall. The experiment results showed that the average temperature in the house with the C3 heating mode was higher than that in the contrast house, and daily range of temperature was 3.5 ℃; on sunny day, the test room had 5 hours in which the temperature was over 12 ℃; when it was cloudy, the temperature difference between the indoor and outdoor of the solar room remained 9.52 ℃; when the outdoor weather condition was sunny and the AQI (air quality index) was within the limits of the secondary standard, the requirements of the indoor temperature in the test room could be met only relying on the system combining shallow geothermal energy with solar wall in October, November, and March and April next year that were within the heating period, and the energy-saving effect was remarkable.

heating; solar energy; temperature; shallow geothermal energy; solar wall; basement

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023

TU834.1

A

1002-6819(2017)-20-0183-07

2017-05-30

2017-09-13

国家自然科学基金项目（51268049）

杨婷婷，女，河南周口人，研究方向为寒区工程材料与建筑节能。Email：1010634928@qq.com

※通信作者：姜曙光，女，甘肃定西人，教授，主要从事绿色建筑与建筑节能方面的研究。Email：jsg99999@126.com

杨婷婷，姜曙光，杨 骏，张俊龙，杨亮亮，宋旭鹏. 浅层地热联合太阳能集热墙系统冬季室内供暖试验[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：183－189. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023 http://www.tcsae.org

Yang Tingting, Jiang Shuguang, Yang Jun, Zhang Junlong, Yang Liangliang, Song Xupeng. Experiment on heating system combined shallow geothermal energy with solar wall in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 183－189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023 http://www.tcsae.org