新疆严寒地区石河子市供暖末期主被动结合式太阳房供暖的试验研究

李洁，武晓伟，姜曙光，徐鑫

(石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003)

随着我国城市化进程的不断加快和人民生活水平的不断提高,建筑能耗的比例也在不断增大。在建筑能耗的结构中,大约有75 %的能源用于建筑的采暖、降温及热水供应[1],而且我国北方严寒地区供暖地区在消耗大量传统能源的同时,更排放了大量的有毒有害气体,对人民的健康构成了极大的危害[2]。大力开发利用清洁的可再生能源能有效改善上述情况,其中,将太阳能与建筑有机结合,在满足人们日常生活需求的同时也大大改善了住区环境[3]。

新疆北部地区位于我国北方严寒地区,冬季室外气温偏低,采暖负荷较大,能源消耗量大[4],同时,新疆北部地区太阳能资源丰富,海拔较高、大气透明度好,这为太阳能的开发利用提供了有利的条件[5]。近年来,对太阳能在新疆地区建筑中的应用研究主要集中在被动式太阳房方面[6-7],但被动式太阳房存在稳定性差、受气候条件影响大、效率低等缺点[8]。主被动结合式太阳房的应用不仅能弥补被动式太阳房的缺点,还可以发挥主动式太阳房的优点,提高太阳能在建筑中的利用效率。目前,主被动结合式太阳房的研究多以理论分析为主[9-10],对主被动结合式太阳房实际工程的研究相对较少，因此,本文以新疆严寒地区石河子市某主被动结合式太阳房作为研究对象,对供暖末期采用间歇供暖方式的石河子市某主被动结合式太阳房各系统运行情况及其对室内热环境的影响进行试验研究。

1 试验部分

1.1 主被动结合式太阳房的组成及工作原理

主被动结合式太阳房在结构上分两部分,即被动式太阳房和主动式太阳能采暖系统[11]，其中,被动式太阳房有直接受益式太阳房、集热墙式太阳房、附加阳光间式太阳房3种基本形式[12]，主动式太阳能采暖系统主要包括太阳能集热器、辅助热源、储热装置、供暖末端及自控系统五大部分。主被动结合式太阳房为建筑供暖的同时又可为住户提供生活热水,是一种清洁、无污染的新型供热方式[13]。

本文试验研究选用一种典型的主被动结合式太阳房,其工作原理如图1所示。运行时,太阳能集热器吸收太阳辐射能,将采暖系统横管中的循环液体加热,循环液体将热量带回室内的储热水箱,地暖侧循环泵将储热水箱中的热量通过地板辐射供暖的方式释放到室内;集热墙系统内空气间层的温度达到供暖要求时,打开上、下通风口后将空气间层内的热空气流入室内,促进室内循环对流,集热墙系统的上、下通风口将热空气吹向室内,冷空气带回空气间层加热,从而实现室内温度升高。

图1 主被动结合式太阳房原理图

1.2 研究区及太阳房概况

新疆石河子市采暖期从10月15日至次年4月15日,全年采暖天数共计181天,采暖热负荷较大[14]。石河子地区太阳辐射变化明显,太阳辐射强度情况如图2所示,采暖初期太阳辐射强度较大,进入采暖中期即最冷时期,太阳辐射强度明显减弱。

图2 太阳辐射强度

研究的太阳房位于石河子市郊区石河子大学试验场一连,朝向正南,建筑面积93.34 m2,其平面布置图见图3。其层高为3.6 m,南墙选用太阳能集热墙,并在集热墙上设置直径为150 mm的上、下通风口;距墙面150 mm处安装单框双层玻璃塑钢集热罩将集热墙与窗户一同覆盖,形成空气间层。

图3 太阳房平面图

按石河子地区采暖热负荷、太阳辐射量及地理位置等因素设计主被动结合式太阳房，其中，被动式太阳房集热墙的洞口直径为150 mm,上下间距为2.4 m,空气间层厚度为100 mm;主动式太阳能采暖系统的集热器面积为24 m2,安装倾角为47.6°,采用空气源热泵KFXRS-19IID作为辅助热源,采用低温地板辐射供暖作为供暖末端。

为了减小围护结构的传热系数,防止热量过快散失,对太阳房进行以下保温处理：太阳房外墙围护结构为20 mm厚水泥砂浆+240 mm厚粘土多孔砖+200 mm厚模塑聚苯板(EPS)+6 mm厚挂网抹灰+20 mm厚聚合物水泥砂浆;屋面采用20 mm厚水泥砂浆+150 mm厚钢筋混凝土面板+150 mm厚XPS板+加气混凝土找坡层最薄处30 mm厚+30 mm厚细石混凝土找平+6 mm厚防水层;地面构造为30 mm厚水泥砂浆找平+地暖盘管+40 mm厚EPS板+120 mm钢筋混凝土板;窗户采用75系列钢、铝塑Low-E玻璃复合窗。

太阳房的运行状态为无人居住状态，采用间歇供暖的方式进行供暖,即11:00—19:00开启地板辐射供暖侧循环泵为室内供暖。地板辐射供暖最大进水温度可达41 ℃,最小进水温度为35 ℃,满足供暖要求。地板辐射供暖循环泵开启时,根据太阳能集热器进出水温度调节太阳能集热侧、地板辐射供暖侧循环流量,保证储热水箱有一定的储热能力。通过合理调节太阳能集热器集热系统与地暖循环侧循环流量,保证地板辐射供暖进水温度满足规范要求。

太阳房被动式集热墙系统每天11:00—19:00开启集热墙上、下通风口,通过热流循环为太阳房供暖。

1.3 测试内容、仪器与方法

(1)测试内容。包括室外温湿度及太阳辐射强度、室内温湿度、空气间层温湿度、集热墙上下通风口温度及风速、太阳能集热器进出水温度及制热量。

(2)测试仪器。主要有Vantage Pro2气象站(测量精度太阳辐射强度为5%、温度为0.5 ℃)、TR001单温记录仪(测量精度±0.5 ℃)、JTR07B多通道微风速测试仪(测量精度±0.3 m/s)、JTR08B多通道温湿度测试仪(测量精度温度为±0.3 ℃、湿度为±1 %)和兰吉尔UH50超声波冷/热量表。

(3)测试方法。温度变化趋势与室内供暖方式的选择有关,本文选用间歇供暖的方式进行室内供暖试验,每天11:00—19:00为房间供暖。按照相关规范[15]对主被动结合式太阳房供暖情况及该供暖模式下室内热环境进行测试,采用短期连续测试的方法[16]对太阳房的上述测试内容进行测试，测试期间设置数据采集系统的记录间隔为10 min。集热墙上、下通风口温湿度测点的布置见图1,其中,上通风口外侧温湿度为T1,上通风口内侧温湿度为T2,下通风口外侧温湿度为T3,下通风口内侧温湿度为T4。室内温湿度测点的布置见图3,其中,东南房间的温湿度测点为T5,东北房间的温湿度测点为T6,北面房间的温湿度测点为T7,西南房间的温湿度测点为T8。

(4)测试时间。石河子市3月中旬—4月中旬间,大气透明度高,室外温度出现较大幅度回升,室外平均温度接近0 ℃,太阳辐射强度逐渐增强且超过600 W/m2，符合供暖末期的所有要求，所以，本文研究的测试时间选取石河子市供暖末期的2018年3月1—30日。

2 结果与分析

2.1 主被动结合式太阳房对室内温度的影响

本文选连续晴朗天气2018年3月15—20日进行研究,选取瞬时平均值进行数据分析。

2.1.1 主动式采暖系统对室内温度的影响

主动式太阳能采暖系统运行情况及室内温度变化情况见图4。

图4 太阳能采暖系统运行情况

由图4可知：

(1)晴朗天气时,太阳能集热器最高出水温度可达56 ℃。地板辐射供暖最高进水温度可达41 ℃,最低进水温度为35 ℃,满足供暖要求。

(2)随着主动式太阳能采暖系统的运行,室内温度明显提升。上午9:30室内温度最低，为19.01 ℃,下午18:00升至最高21.98 ℃；当天温差为2.97 ℃,温度波动较小,满足人体热舒适性要求；24:00温度为20.37 ℃,0:00温度为19.56 ℃。上述结果表明：通过一天的供暖，室内温度明显提升。

(3)太阳能集热器平均每天制热量为55.08 MJ。

2.1.2 太阳房被动式集热墙系统对室内温度的影响

每天11:00—19:00开启集热墙上、下通风口,通过热流循环为太阳房供暖。集热墙上下通风口处风速及洞口内外侧温度见图5。

图5 集热墙运行情况

由图5可知：

(1)上通风口外侧温度最高可达49.5 ℃,上、下通风口风速最大值分别为0.52 m/s和0.50 m/s。

(2)11:00—19:00期间,太阳辐射强度先增大后减小,T1、T3处温度与太阳辐射强度变化趋势一致；T1、T3之间温差最大值达9 ℃,空气间层温度分层现象明显,空气间层内部热流循环动力较强。

(3)上、下通风口内侧的温度T2、T4随着T1的增大逐渐升高,T2、T4之间温差最大值为3.94 ℃,室内热流大循环现象明显,室内温度升高与热流循环趋势一致。表明集热墙具有明显提高室内温度的作用,上、下通风口的热流循环可以使室内冷空气通过下通风口进入空气间层,经空气间层的加热使热空气从上通风口进入室内,为太阳房供暖。

(4)太阳房上、下通风口全部位于南墙,共计12个。经计算,通风口开启时间段内,上通风口平均每天可为室内提供23.07 MJ热量。

(5)主被动结合式太阳房平均每天可为太阳房提供78.15 MJ热量，其中,主动式太阳能采暖系统占比为70.5 %,集热墙占比为29.5 %。太阳房仅靠太阳能集热器及集热墙系统就可满足室内供暖需求,无需开启辅助热源,实现低能耗要求,并可大幅缩短本地区采暖期。

2.2 房间热环境对比

2.2.1 室内温度

由室内各测点的温度测试结果(图6)可知：

图6 房间温度曲线

(1)各房间温度在9:30左右达到最小值,随着太阳能采暖系统及集热墙系统的运行,室内温度逐渐升高,19:00时室内温度达到峰值。测试期间,室外平均温度为9.36 ℃,最低温度为3.31 ℃，室内温度变化在3 ℃以内,温度较为平稳。开始采暖24 h后房间平均温度为20.39 ℃,比供暖前夜间室内温度高1.59 ℃,说明采用间歇供暖的方式可以满足室内温度要求。供暖时,南面的房间温度提升明显,南面房间与北面房间最大温差达到了1.44 ℃,南北面房间温差明显。

(2)太阳房室内温度最小值大于18.3 ℃(太阳房为无人居住状态),满足规范规定的最小室温要求。表明主被动结合式太阳房消耗较少能源就可满足室内温度要求,实现低能耗的要求。

3.2.2 相对湿度

本文选取室外相对湿度、空气间层相对湿度及T6、T8测点的相对湿度进行测试,结果见图7。

图7 相对湿度曲线图

从图7可以看出：

(1)室外湿度变化幅度很大,上午7:00出现峰值95 %,最小值36%出现在下午19:00。

(2)空气间层内相对湿度变化幅度与室外湿度变化幅度基本一致,空气间层内湿度较室外湿度明显减小,空气间层内最大湿度仅为58%；位于东北角房间相对湿度比位于西南角房间的相对湿度大,两者最大差值为5 %。

(3)室内相对湿度变化平稳,变化幅度为4%。测试期间西南角房间的湿度在30%～60%的舒适区域[17],但东北角房间的湿度超过了这一舒适区域，说明集热墙通过上、下通风口的热空气循环可改善室内相对湿度。

3.3 经济性分析

单一被动式太阳能采暖、单一主动式太阳能采暖及主被动结合式太阳能采暖的技术经济对比数据见表1。

表1 不同采暖系统的技术经济对比数据

由表1可知,与单一主动式、单一被动式的太阳能采暖系统相比,主被动结合式太阳房供暖系统的太阳能利用率明显提高。其主要原因是太阳能集热器的应用能高效的利用太阳能资源。

4 结论

(1)本文采用的主被动结合式太阳房间歇供暖方式在试验期间可满足室内供暖需求。试验期间该供暖方式平均每天供热量为78.15 MJ,主动式太阳能采暖系统占比为70.5 %,集热墙系统占比为29.5 %。

(2)试验期间太阳房满足人体热舒适性要求。其中，室内温度最小值为18.3 ℃,且靠近集热墙的房间温度较高,集热墙系统提升室内温度的效果显著；太阳房在无人居住状态下,室内相对湿度波动较小；集热墙系统也可减小室内相对湿度变化。

(3)主被动结合式太阳房明显缩短了采暖期,节能效果显著,试验期间标准煤节约量为3.35 kg/d,CO2减排可达8.35 kg/d。

(4)集热墙系统的空气间层作为一个缓冲空间,对于调节室内热环境具有积极作用。