甘南臧區太陽能主被動聯合采暖系統性能

李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍

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甘南臧區太陽能主被動聯合采暖系統性能

李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍

（1. 蘭州理工大學西部能源與環境研究中心，蘭州 730050；2. 甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點試驗室，蘭州 730050；3. 西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心，蘭州 730050 4. 蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050）

中國藏區冬季太陽能仍然十分豐富，太陽能采暖潛力巨大。為了利用太陽能實現清潔供暖，以甘肅省合作市上浪坎木村2座含被動式陽光間建筑面積為170 m2的單體建筑為研究對象，其中一座使用被動式陽光間和太陽能集熱器循環加熱采暖，另一座使用被動式陽光間和牛糞直燃爐采暖，在相同的環境條件下對比研究了室內熱環境、系統經濟性和環境效益，研究結果表明：在48 d的測試期內，太陽能主被動聯合采暖系統中客廳溫度47 d高于14 ℃，只有1 d室內最低溫度為13.3 ℃，太陽能主被動聯合采暖系統很好地滿足了建筑采暖需求，被動式陽光間和牛糞直燃爐聯合采暖室內溫度不均勻，溫差大，客廳溫度普遍低于12 ℃；太陽能主被動聯合采暖系統比被動式陽光間和牛糞直燃爐聯合采暖每個采暖季節省標煤4.3 t，可減少CO2、粉塵、SO2、NOx排放量依次為10.7，2.92，0.322和0.161 t，動態投資回收期4.9 a，證實了系統的可行性、節能性和經濟性，可用于指導不同地區太陽能主被動結合供暖系統的優化設計和推廣應用。

太陽能；采暖；溫度；陽光間；熱舒適性；熱經濟性

0 引 言

近年來由于全球環境的持續惡化，節能減排越來越受到世界各國的關注。隨著中國新農村建設的推進和人民生活水平的提高，人們越來越注重舒適的室內生活環境，但隨之而來的是農村建筑能耗的不斷增加。據國家部門統計，中國目前建筑能耗已經占到社會總能耗的33%，可以折算成11億t標準煤。太陽能以其資源豐富，無需開采和運輸以及清潔性越來越成為人們青睞的可再生能源[1-3]。中國西北地區因其太陽能資源豐富，被動式太陽房得到了廣泛的應用，但由于太陽能的不穩定性和不連續性引起太陽能的利用率較低從而導致采用被動式太陽能供暖房間熱穩定性和熱舒適性不高[4]。因此，高效合理地利用太陽能滿足當地居民采暖用能和室內舒適度的要求，對提高居民生活質量和改善自然環境都具有重要的意義。

國內外學者在利用太陽能采暖方面都已做了大量的研究。國外學者Badescu等[5]通過對一棟2層的主被動結合的復合式被動式太陽房利用主動式太陽能熱水供暖與熱水供應2種方案的效果進行了研究，結果表明可實現整棟建筑50%～80%的熱需求。并對系統建立數學模型最終得到該系統的太陽能保證率0.180～0.679。Rekstad等[6]通過試驗對比研究了被動式采暖建筑的太陽能主動式供暖和空氣-水源熱泵供暖能耗情況，結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%。Liu等[7]研究了在同一座高原地區建筑的條件下，對比3種不同供暖方式的供暖熱效果，結果表明主動式太陽能供暖的效果最好，其室內平均溫度要比被動式供暖條件下的室內平均溫度高出6 ℃。Li等[8]對比研究了太陽能主動式供暖與傳統鍋爐供暖室內溫度和室內舒適度，得到在室外最低溫度為?16.2 ℃時，太陽能供暖的室內平均溫度和平均輻射溫度分別高出對比建筑5.4和3.3 ℃。國內學者王武等[9]提出了一種主、被動結合的太陽能空氣采暖模型，通過借助TRNSYS仿真平臺得到在白天平均環境溫度為3 ℃時，南北向的房間溫度都可達到20 ℃。于濤[10]在北京地區構建一套主被動結合采暖系統，利用DeST軟件分析了太陽房的影響因素、確定了太陽房的最佳運行方式、計算了太陽房采暖季的節能貢獻率為38.9%。鄭豪放[11]將太陽能空氣集熱墻被動采暖系統與太陽能炕主動采暖系統結合對青海一處民居進行研究，結果表明：空氣集熱器可將日間室內平均氣溫提高4～6 ℃，夜間炕表面溫度大部分時間可維持在30 ℃以上，完全滿足睡眠熱舒適度的要求。陳明東等[12]通過對青島地區附加陽光間型太陽房及相同結構的對比房室內溫度及室外溫度參數的監測，研究了寒冷季節室內溫度隨室外氣象條件變化的情況。結果表明在室內無熱源及輔助熱源條件下，附加陽光間型太陽房室內平均空氣溫度比對比房室內平均空氣溫度高3.8 ℃，最高溫差達7.2 ℃，最低溫差1.1 ℃。楊婷婷等[13]對在石河子地區搭建一種淺層地熱聯合太陽能集熱墻系統的被動式太陽房進行了供暖測試研究，得到在晴天時全天溫度基本處于9.4～13 ℃，且白天有5 h室內溫度超過12 ℃。

綜上所述，現有的太陽能供暖技術普遍存在運行不穩定、室內溫度低、以及成本高等問題。目前在實際工況下針對中國藏區農村建筑的太陽能主被動結合供暖研究還很少，為此，本文以甘肅省合作市藏族地區的一座農村單體建筑為研究對象，搭建了太陽能主被動結合供暖系統，散熱末端采用低溫地板輻射采暖系統，重點考察了太陽輻射強度、環境溫度以及風速等參數對系統供能性能的影響規律，為太陽能主被動結合供暖在西北農村地區的推廣應用提供技術參考。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

本文選取位于甘肅省甘南藏族自治州合作市上浪坎木村（N34°59￠，E103°4￠）的2座結構相似的單體建筑為研究對象。該地區海拔3 200 m，全年光照充足，熱工分區屬嚴寒地區，冷季長，暖季短，年均氣溫0.5~3.5 ℃，年最低氣溫可達?23 ℃，供暖期長達7個月。試驗建筑在原有附加陽光間基礎上搭建了主動式太陽能采暖系統，建筑結構如圖1所示，對比建筑采用附加陽光間與牛糞爐聯合采暖。兩座建筑的附加陽光間均為單層玻璃，布置在南向和頂部，試驗建筑面積170 m2，使用面積為136 m2（含被動式附加陽光間），采暖面積60 m2，建筑高2.8 m，附加陽光間面積41 m2，圍護結構組成及面積見表1和表2，室內采用太陽能低溫地板采暖，熱水盤管分別布置在客廳、臥室地面及炕面。太陽能集熱系統有7組全玻璃真空管太陽能集熱器，集熱面與地面夾角45°，正南放置，每組集熱器由30支長1.8 m、直徑0.058 m的全玻璃真空管組成，集熱面積為20.2 m2，太陽能系統采暖圖如圖2 所示。

圖1 試驗建筑平面圖

表1 建筑圍護結構組成

表2 建筑圍護結構面積及傳熱系數

1. 太陽能集熱器 2、9. 閥門 3、4、5.供暖循環泵6、7、8. 地暖盤管 10. 渦輪流量計 T1、T2、T3.溫度傳感器

1.2 測試方案及儀器

根據GB 50785-2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》及GB/T 15405-2006《被動式太陽房技術與熱性能測試方法》的要求測試，測試儀器參數如表3所示。

測試內容：室內外溫濕度、室內外風速，太陽輻射強度等參數，具體測點位置：①客廳溫度測點布置在客廳對角線上的三等分點處，且分別固定在地板表面和距地面0.1、0.6、1.1、1.7 m處。②太陽輻射儀布置于房頂與水平面夾角45°且沒有物體遮擋處。③室外溫度測點布置于室外通風處且應避免太陽直接照射。

表3 測量儀器及參數

測試時間為2018年3月20日至2018年5月8日，以上參數均采用Agilent 34970A數據采集儀自動采集和記錄，掃描間隔為10 s。

1.3 計算方法

1.3.1 太陽能采暖系統

蓄熱水箱能量平衡關系[14]

式中為儲熱水箱水的質量，kg；T為供暖水箱溫度，℃。

1.3.2 建筑耗熱量計算

根據《太陽能供熱采暖工程技術規范》[15]計算冬季建筑耗熱量，即

式中H，HT，INF，IN分別為某一天的建筑耗熱量、建筑圍護結構的耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑物內部得熱量，W。

建筑物內部得熱量一般包括人體散熱量、炊事和照明散熱量，一般散熱量不大且不穩定，故可忽略不計[17]。

1.3.3 附加陽光間式太陽房所需輔助熱量

式中SHF為太陽能供暖率；NLC為太陽房凈負荷系數，kJ/(℃·d)；DD14為采暖度日數，其數值為基礎溫度14 ℃和該日室外日平均氣溫的差值，其單位為℃·d。

2 結果與分析

2.1 采暖系統供暖穩定性分析

中國藏區冬季氣候干燥寒冷，晝夜溫差較大，雨雪天氣較多。為分析該系統在嚴寒藏區的供能穩定性，對該建筑采暖熱負荷進行計算，參考文獻[15]，其值一般包括基本散熱損失和冷風滲透損失[15]，取該試驗建筑冬季采暖室內溫度t=14℃[19]，當地冬季室外計算溫度為 ?3.4 ℃[20]。根據公式（7）計算得試驗建筑單位面積供暖輔助熱量aux=39.5 W/m2。如圖3所示為全部測試期內連續48 d的單位面積太陽能主動式供暖日供熱量和日平均輻照強度的變化情況。從圖3中可以看出：主動式太陽能供暖供熱量的最大值102.6 W/m2，平均值為57 W/m2，在全部測試期間內除連續3 d極端天氣外，其余時間供熱量都能滿足需熱量要求。

圖3 太陽能主動式采暖系統供熱量和平均太陽輻照強度

圖4為全部測試期間內試驗建筑與對比建筑客廳在不同溫度范圍內的時間相對總測試時間的占比情況，從圖4中可以看出試驗建筑客廳溫度在試驗期間幾乎全部時間都高于14 ℃，占了總時間的95%，在連續3 d極端雨雪天氣情況下由于建筑良好的蓄熱特性可以減少建筑散熱，使得室內溫度只有1 d不能滿足室內溫度t=14 ℃的要求，最低溫度達到13.3 ℃；而對比建筑在測試的大部分時間里溫度都在低于12 ℃范圍，占總時間的77.9%，高于14 ℃的僅占8.6%，由此表明：除在個別的連續極端天氣外，在極大部分的時間里，主動式太陽能供暖可以很好的滿足建筑供暖需求，說明該系統有較強的抗干擾性和較好供暖穩定性。

圖4 室內溫度時間占比

2.2 室內外溫度對比分析

測試采用連續測試方法，測試時間為2018年3月20日至2018年5月8日。選取3月26、27日運行情況較好的數據，以客廳為代表房間對室內溫度進行分析，試驗組采用太陽能主動供暖，供暖時間為18:00至次日08:00，對照組采用牛糞爐供暖。圖5是試驗建筑和對比建筑室內溫度與室外環境溫度的變化曲線。

圖5 室內與環境溫度（2018-03-26—27）

由圖5可知室外環境溫度在?8.6～11.9 ℃的范圍內波動，試驗建筑客廳平均溫度為16.3 ℃，比對比建筑高7.3 ℃，兩座建筑室內最高溫差達11.5 ℃，試驗建筑室內最高溫度為18.2 ℃，溫度波動幅度為4.3 ℃；對比建筑室內最高溫度為17.4 ℃，溫度波動幅度為13.2 ℃。由此表明，試驗建筑客廳溫度達到了GBT50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》[20]規定的14 ℃的要求，對于附加陽光間式太陽房采用太陽能主動供暖比采用牛糞爐直燃供暖房室內溫度波動性更小，溫度變化更穩定，極大的改善了藏區民居冬季室內熱環境。

2.3 室內豎直高度方向溫度分析

圖6所示為2018年3月30日兩座建筑在豎直方向上不同高度處的溫度分布情況。由圖6可知，對于采用牛糞爐直燃采暖的對比建筑，豎直方向溫度分布不均勻，分層現象明顯，豎直方向溫度最大溫差為5.3 ℃；而對于采用地板輻射采暖的試驗建筑，豎直方向溫度分布較均勻，最大溫差僅為1 ℃，空氣對流較弱且溫度從下至上逐漸降低，在供暖時地面溫度有較明顯的溫升，給人一種腳暖頭涼的舒適感。相比于傳統牛糞爐直燃采暖，此種采暖方式室內舒適度更高。

圖6 豎直高度溫度分布(2018-03-30)

2.4 水暖炕溫度分析

如圖7所示，根據藏區農戶的生活習慣，晚上休息時間通常為20:30左右，選擇在2018年3月27日晚19:00至次日08:00的這段時間里對炕面溫度、室內溫度、室外環境溫度變化曲線進行分析得出：在睡眠休息期間，室外環境溫度在?8.6～1.7 ℃范圍變化，水暖炕的炕面平均溫度22.3～34.7 ℃范圍內波動，在22:00時到達最大值，為34.7 ℃。所以當居民在睡眠時人體所處的睡眠環境在夜間睡眠舒適溫度29～34 ℃的范圍之間[21]，因此，水暖炕在夜間為室內供暖的同時也可以很好地保障人的睡眠熱舒適度。另外，該水暖炕是在原有火炕的基礎上改造的，若在炕面下鋪設蓄熱材料可以使炕有更好的蓄熱性能，溫度變化幅度更小。睡眠熱舒適度會得到進一步 提高。

2.5 太陽能主被動聯合供暖系統節能環保效益分析

圖7 室內溫度、室外環境溫度、炕面溫度變化（2018-03-27）

根據資料按1 kg煤炭燃燒產生CO2為2.49 kg、粉塵為0.68 kg、SO2為0.075 kg、NOx為0.0375 kg計算[24]，每戶每個采暖季可少排放CO2、粉塵、SO2、NOx依次分別為10.7，2.92，0.322，0.161 t，節能減排效益非常顯著。

2.6 供暖系統經濟性分析

該系統是在原有被動式太陽房基礎上進行改造：增加了7組太陽能集熱器，并在地面鋪設了地暖。7組太陽能集熱器價格為13 650元，地暖鋪設費用為50元/m2，再加上連接管道和閥門等配件，整個系統總投資為17 875元，假設系統運行期間每年現金流量相等，凈現值NPV計算公式為

式中CI、CO為第年的現金流入、流出；為基準折現率，取5.5%。

動態投資回收期P，指收回成本所需年數，按下式計算。

式中為累計效益凈現值出現正值的年份；為第-1年累計效益凈現值的絕對值；為第年累計效益凈現值。

系統每年效益為4 300元，系統安裝后每年除日常維護外不需要其他額外投入，故第2年后成本可計為0元，各參數取值如表4所示，假設系統的使用壽命為15 a，通過計算得該系統的凈現值>0，動態投資回收期為4.9 a，證明了該系統在經濟性方面是可行的，收益是可觀的。

表4 太陽能采暖系統經濟性分析計算表

3 結 論

結合甘南藏區民居特點，通過在原有附加陽光間太陽房基礎上對其進行主動式太陽能供暖改造，并與對照組進行對比試驗研究，測試結果顯示系統運行良好，并可以得出以下結論：

1）在48 d的測試期間內，試驗建筑溫度基本都高于14 ℃，占總測試時間的95%，系統的供熱量除在個別極端天氣外，都可以很好滿足建筑的供暖需求，表明系統的供能穩定性較好，抗干擾能力較強。

2）當室外環境最低溫度為–8.6 ℃時，附加陽光間與主動式太陽能結合供暖建筑室內客廳平均溫度為16.3 ℃，比對比建筑高7.3 ℃，兩座建筑室內最高溫差達11.5 ℃， 且溫度波動較小，豎直高度分布均勻，室內熱舒適性好，使藏區建筑室內的熱環境和居民生活品質都有了極大 改善。

3）改造后的建筑完全可以通過太陽能主動式供暖使室內溫度到達14 ℃，且水暖炕溫度可以在夜間睡眠時維持在22.3～34.7 ℃，該溫度范圍屬于人體睡眠舒適溫度，提高了人們睡眠時的熱舒適度。

4）改造后的建筑每個采暖季可以節省標煤4.3 t，可少排放CO2為10.7 t、粉塵為2.92 t、SO2為0.322 t、NOx為0.161 t，系統的動態投資回收期為4.9 a，節能減排和經濟性效益明顯，該系統的推廣使用對改善藏區環境有著重要的意義。

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Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong

(1.730050,;2.730050,;3.730050,;4.730050,)

The traditional heating methods in winter, in Tibetan areas in China are relatively backward, and the indoor living environment is poor. Owing to the abundant solar energy in the Tibetan areas of China, the potential of solar heating is huge. In order to use solar energy to achieve the clean heating, two single buildings with a passive sunlight area of 170 m2in Shanglangkanmu, a village of Hezuo in Gansu Province, were studied, as research objects, one of which used passive sunspace and cow dung direct-fired furnace for heating, and the other used passive sunspace and solar collectors for heating. The solar collector system has 7 sets of all-glass vacuum tube solar collectors. The collector surface was placed at an angle of 45° to the ground. It was positioned in the south, and the amount of collectors of each group was 30. All-glass vacuum tube was 1.8 m of length, 0.058 m of diameter, and 20.2 m2ofheat collection area. Under the same environmental conditions, the theoretical and experimental methods were used to compare the indoor thermal environment, systemic economic and environmental benefits. The test time was from March 20thto May 8th, 2018. The indoor and outdoor temperature, indoor and outdoor wind speed, solar radiation intensity and other parameters were investigated. The data were automatically recorded by computer. The research results show that in the 48 d test period, the days of living temperature higher than 14 ℃in experimental building with the solar energy active and passive combined heating system is 47 d, indoor minimum temperature of 13.3 ℃ is for only 1 day, the heat supply of the system in addition to individual extreme weather, can satisfy the heating needs of the building well, indicating that the system's energy supply stability is well, anti-interference ability is strong. When the outdoor environment minimum temperature is-8.6 ℃, the average indoor temperature of experimental building with combined sunspace and active solar heating system is 16.3 ℃, which is 7.3 ℃higher than that of the contrast building, between the two buildings the highest temperature difference is 11.5 ℃, and the temperature fluctuation of the experimental building is small. The temperature in vertical height is evenly distributed, the indoor thermal comfort is well, the temperature of experimental building can completely reach the indoor temperature by 14 ℃through the solar active heating, and the temperature of kang can be maintained at 22.3-34.7 ℃during night sleep time, it belongs to the human body sleep comfort temperature which improves the comfort of people during sleep. The solar energy active and passive combined heating system satisfies the heating demand of the building well. The temperature in contrast building with the passive sunspace and the cow dung direct combustion furnace is nonuniform, the difference of temperature is distinguished, the living room temperature is generally lower than 12 ℃. Compared with the contrast building, the experimental building with solar energy active and passive combined heating system can reduce 4.3 t standard coal in the heating season, which can reduce the CO2,dust, SO2, and NOxemissions by 10.7, 2.92, 0.322 and 0.161 t, respectively. The dynamic investment payback period is 4.9 a. It proves the feasibility, energy saving and economy of the system, and can be utilized to guide the optimal design and popularization of solar energy active and passive combined heating systems in different regions.

solar energy; heating; temperature; sunspace; thermal comfort; thermal economy

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001

TU832.1+2；S210.43

A

1002-6819(2018)-21-0001-07

2018-06-12

2018-08-31

國家重點研發計劃課題（2018YFB0905104）；國家自然科學基金項目（51676094）；甘肅省國際科技合作專項（1604WKCA009）；蘭州市人才創新創業項目（2017-RC-34）

李金平，教授，博士，博士生導師，主要從事先進可再生能源系統方面的研究。Email：lijinping77@163.com

李金平，王 航，王兆福，黃娟娟，王春龍.甘南臧區太陽能主被動聯合采暖系統性能[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：1－7. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong.Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 1－7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org