太阳能集热蓄热墙在延安农居的应用研究

延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000

1 前言

依据《中国建筑能耗研究报告（2019）》的统计，截止2017 年，建筑能耗9.47 亿t 标准煤，占全国能源消耗比重的21.11%；在全国建筑总面积643 亿m2中，城镇人均居住的建筑面积为37.2m2；建筑碳排放量占全国能源碳总排放量的19.5%。而农村居住建筑碳排放量一直保持增长趋势，农村的建筑节能落后于城镇。这与农村的节能技术，政府投入，科研技术，推广力度以及农村发展自身的制约有着很大的关系。在延安农村供暖方式主要有烧煤火炉、全村统一暖气供暖、但往往忽视了保温隔热措施，导致延安地区农居采暖能耗大、室内热环境差、新能源利用率低。这些问题使得农村建筑节能技术的开发与推广刻不容缓。

2 延安气候概况

延安地区位于东经107°41′～110°31′、北纬35°21′～37°31′，平均海拔1200m，总面积达到37037km2，属于黄土高原的中心地带。夏季炎热少雨、干旱，风中含沙量大；冬季寒冷少雪、干燥，昼夜温差大，最冷月平均气温-8℃，冬季长达5 个月。延安市的气候主要受到了季风环流气候的影响，属于暖温带半湿润易干旱气候区。延安市日照时间较长，太阳辐射强度高，太阳的年平均辐射总量为5020MJ/m2，年日照时数2418 h，日照率约55%，以5 月最多总时长为247 h，2 月最少总时长为173h。延安地区属于太阳能二类资源区，蕴藏着十分丰富的太阳能资源。

3 太阳能集热蓄热墙分析

3.1 构造

如图1 所示，太阳能集热蓄热墙的最外层为透光材料的玻璃，玻璃在该墙体中起到了透光、聚热的效果。玻璃之下是涂抹了选择性涂层材料的围护墙体，该涂层以深色涂料为主，以方便吸收更多的热能。围护墙体的材料为延安特有的生土和麦秸秆，生土和麦秸秆这两种材料混合砌筑可大大加强墙体的保温效果。并在该墙体中布置了30～100mm 的空气间层，该项布置主要用于吸收热量，循环冷、热空气。在该空气间层中设置集热板，集热板主要起到了储存热量的同时防止热量散失的作用，大大提高了该墙的集热、蓄热的能力。集热板后面依附着由生土和麦秸秆混合的承重墙体，并在该承重墙体的顶端和底端分别预留了气孔，这两个气孔是整个墙体的热空气循环重要的一环。

3.2 原理

原理：热空气上升，冷空气下降。

图1 太阳能集热蓄热墙构造图解

当冬季白天时，太阳光透过集热蓄热墙体的玻璃，并被涂以深色选择性涂料的墙面吸收其热量，被吸收的热量聚集后，使得太阳能集热蓄热墙体中的间层空气温度逐步上升，同时被吸收的热量在空气间层中的集热板进行加热、保温、存储。空气间层形成的热空气从上气孔进入室内。热空气进入室内后，大面积聚集至室内的高处，而室内的冷空气则聚集在屋子的下端，根据热空气上升，冷空气下降的原理，冷空气从下气孔流入空气间层。在空气间层中被加热后流入了房内，继续为室内提供热空气。以此往复，太阳能集热蓄热墙体内部形成一套热循环系统，改善了室内温度。当冬季夜晚时，用关闭两端气孔的方式切断太阳能集热蓄热墙的热循环系统，保证室内温度稳定。当夏季时，在墙体外表面增设隔热窗帘或百叶，在源头上阻断太阳能集热蓄热的工作。该墙体无传统能源消耗的，依靠陕北地区的气候条件被动式收集太阳能，将其转换成热能，以热空气的形式传递到室内，改善室内的热环境。

4 太阳能集热蓄热墙应用的适宜性

4.1 自然条件适宜

长期以来，延安市的太阳能资源优势得天独厚。延安地区地势海拔高，日照时间长、辐射强度高，大气透明度高，属于太阳能二类资源区，具有很大的太阳能开发利用价值。将这些资源转化为可供居民使用的能源，对于延安市经济发展非常有意义。与此同时，其丰富的太阳能资源，为新型太阳能集热蓄热墙的推行提供了适宜的条件，既合理利用了太阳能资源又能使延安地区的采暖节能问题得到进一步地解决。

4.2 技术本身适宜

目前，集热蓄热墙式被动太阳能建筑在社会中应用广泛，它与直接受益式相比，集热蓄热墙式被动太阳能建筑既能用于冬季夜间供暖，又能用于夏季通风降温；与附加阳光间式相比，集热蓄热墙具有集一蓄热双重功能，减少了空间的占用。延安地区昼夜温差大，冬季昼间平均温度-2℃～10℃，夜间平均温度为-6℃～-15℃，寒冷的气候和较大的温差导致延安地区室内热环境差。新型集热蓄热墙在冬季日照正常情况下可向建筑物内提供来自于室外经过空气间层加热新鲜空气。在不主动消耗能源的情况下提高了室内的温度。这种新型集热蓄热墙可以有效改善室内热环境，降低能耗，由于新型集热蓄热墙增加了墙面隔热材料，可使室内冬暖夏凉，这也是其他采暖设施无法比拟的。

4.3 经济性适宜

根据大数据的统计和调查，传统取暖方式的相关数据如表1 所示。

表1 传统取暖方式统计

基于以上传统取暖方式的缺点，我们对新型集热蓄热墙做如下分析：使用新型集热蓄热墙的房屋，其投资比未使用新型集热蓄热墙的普通房屋最初的投资费用增加了，但是又比普通房屋在取暖上节省能源和采暖费用，用节能费用可以抵偿增加的投资，年限越短，新型集热蓄热墙的经济效益越好，根据建设新型集热蓄热墙的实践经验，一般在 4～8 年内产生的效益足以弥补最初采暖投资额的增加部分。对一般农村来说，这样的增幅在民众可接受范围内。一般农居中采用的集热蓄热墙采暖增加额基本都是在可接受范围内的，相对比于传统采暖方式，集热蓄热墙在使用上具有一定的经济适用性，产生的经济效益也十分可观。

5 结语

针对延安地区农居围护结构在应用中存在的能耗高、对环境有一定的破坏力，且易造成室内热环境不良等问题，结合延安地区的地理优势以及延安地区的建筑特点和人民生活习惯，宜使用新型太阳能集热蓄热墙。此新型集热蓄热墙低能耗、零污染，既能用于冬季夜间供暖，又能用于夏季通风降温，极大的改善了室内热环境，具有极大优势。因此新型集热蓄热墙在延安地区的推广十分可行。