新疆和田地区农村建筑太阳能利用适宜性分析

孔维亮，陈 宁，邹浩娜

（新疆建筑科学研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830054）

新疆和田地区属典型的内陆干旱区，位于欧亚大陆腹地，气候属于温带荒漠气候，它是中国光能资源比较丰富的地区。丰富的太阳能资源为解决农村常规能源短缺问题，提高居住环境质量，减少环境污染提供了有利条件。本文结合和田地区的太阳能资源状况和气候特点，开展太阳能利用价值评估，分析了和田地区农村建筑利用太阳能的可行性。

1 新疆和田地区太阳能资源状况

太阳总辐射量、光照状况以及环境温度是影响太阳能利用的主要因素。有研究对新疆气象资料做了统计，从影响因素角度入手，分析了和田地区太阳能的时空分布特征、分布规律和可利用性。

1.1 太阳总辐射量

和田地区全年太阳总辐射量为5 800～6 200 MJ/m，属于太阳能次丰富地带，全年的日照时数为2 500 ～3 100 h。

1.2 光照状况

太阳直达辐射量占总辐射量的比值影响太阳能利用效率，和田地区四季多风沙，2—8月，由于沙尘暴的影响，大气透明度下降，致使直达辐射量小于总辐射量的45%，9—12月风沙减少，太阳直接辐射量增加，有利于太阳能利用。新疆和田地区月直达辐射量与总辐射量的比值如图1 所示。

图1 新疆和田地区月直达辐射量与总辐射量的比值

在太阳能的利用实践中，通常认为年内日照时数≥6 h 的天数越多，太阳能利用的天数越长，太阳能利用效率越高。1961—1985年，历年各月日照时数≥6 h 的平均天数如图2 所示，月平均天数合计251.4 d。由图2 可以看出，太阳能利用有利季节是秋季，不利季节是冬季。

图2 累年各月日照时数≥6 h 的平均天数

2 新疆和田地区气候特点

和田地区属极端干旱的温带荒漠气候区，春季多沙尘暴、浮尘天气，夏季炎热干燥，四季多风沙，每年沙尘天气的出现天数超过220 d。

2.1 设计用主要室外气象参数

采暖室外计算温度为-8.6 ℃，计算采暖期为11月15日至翌年3月15日。和田地区冬季最多风向为WSW，年平均气温为13.6 ℃，气温年较差及昼夜温差大，年温度分布如图3 所示。

图3 逐月最低、最高及平均温度

2.2 温度-时间分布

环境温度影响太阳能利用效率，在有日照的条件下，如果环境温度低，太阳能的利用效率会降低。太阳能利用中，一般拟定气温10 ℃为指标，当日平均温度≥10 ℃时，太阳能利用装置能发挥正常作用，低于10 ℃时便不能发挥正常作用。和田地区11月至翌年3月温度-时间的分布如表1 所示。12月、1月的月平均温度低于0 ℃，由于温差较大，白天仅有3 ～5 h 高于0 ℃；2月和11月，80%以上的时段温度高于0 ℃；3月与10月，所有时段温度基本高于0 ℃，高于10 ℃的小时数约占60%。

表1 温度-时间分布

通过对和田地区光照状况和温度分布特点进行分析，1月与12月大部分时段温度低于0 ℃，2月温度有所升高，但日照时数≥6 h 的天数只有15 d 左右，3—4月沙尘天气严重，直达辐射量小于总辐射量的40%，10—11月太阳直达辐射量占比高，平均温度较高。

3 太阳能利用价值评估

综合分析和田地区的太阳辐射状况和室外温度，判断太阳能利用价值，利用综合气象因数（）评估冬季太阳房采暖利用价值。综合气象因数为南墙面入射太阳辐射月平均日总量和度日值的比值。《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013）规定，室内计算温度为14 ～16 ℃，参考该标准，基础温度取14 ℃。这时，综合气象因数的计算公式为：

式中：为基础温度为14 ℃时的综合气象因数，kJ/（m·d·℃）；S为第月入射在南墙面上的太阳辐射月平均日总量，kJ/（m·d），如表2所示；DD为第月度日值，℃·d。

表2 综合气象因数相关计算参数的数值

按照理论计算及实测结果，＞12 kJ/（m·d·℃）的地区建造被动式太阳能建筑，能够获得一定的节能效益；＞20 kJ/（m·d·℃）的地区不采用辅助热源，室内可维持较理想的温度。

和田地区总辐射量很大，但受沙尘浮尘天气影响，月直达辐射量占总辐射量的比重介于37%～61%。用月直达辐射量替代总辐射量，经计算，和田地区为15.6 kJ/（m·d·℃），小 于20 kJ/（m·d·℃）。所以，和田地区建造被动式太阳能建筑，能够获得一定的节能效益，但在无辅助热源情况下，室内温度不能满足14 ℃的最低水平。

4 和田地区农村建筑被动式太阳能应用形式

被动式太阳能应用是指不借助机械装置，冬季直接利用太阳能进行采暖，夏季采用遮阳散热。应用方式主要有直接受益式、集热蓄热墙式和附加日光间式。直接受益式是利用南窗直接接受太阳辐射，供热效率较高，室内温度波动较大。集热蓄热墙式是在南向外墙除窗户以外的墙面上覆盖玻璃，墙表面涂成黑色，提高墙体外表面太阳辐射吸收率，减少辐射散热，使该墙体成为集热体和储热器。附加日光间式在建筑的南侧采用玻璃等透光材料建造可封闭空间，空间内的温度会因温室效应而升高。根据和田地区的气象条件，刘鑫采用DesignBuilder 软件建立太阳房模型，在围护结构墙体和屋顶都有好的保温性能，窗户保温性能和气密性良好的前提下，得出直接受益式、集热蓄热墙式和附加日光间式的室内实效温度在日间的大部分时间均可比室外高出8 ～15 ℃，差别不大。

相比较而言，太阳能直接受益式技术简单，室内升温快，不需要特别管理；集热蓄热墙式和附加日光间式构造复杂，造价相对较高。和田地区传统民居考虑到保温隔热、防盗和私密性要求，其形成了外墙开小窗、高窗的特点，但对室内采光和通风影响很大，基本上很难满足要求。随着各种新型门窗发展，其保温隔热性能、气密性等都有很大的提高，冬季阳光通过南向窗户直接照射到室内，使室内温度升高，部分太阳能被地面及墙面吸收后蓄热，减少了常规能源的使用。

5 结论

选择被动式太阳能应用技术时，应考虑地域文化特点、地区气候以及经济水平等因素。集热蓄热墙式需要将墙表面涂成黑色，不符合和田地区居民的审美要求，附加日光间式与当地人生活习惯不符，二者都不宜采用。由于和田地区农村经济技术水平相对落后，采用直接受益式更符合当地的实际情况，可提高室内热舒适性并能获得一定的节能效益，其在农村地区新建建筑施工和既有建筑改造中值得推广。