太陽(yáng)能集熱蓄熱墻在延安農(nóng)居的應(yīng)用研究

延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000

1 前言

依據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2019）》的統(tǒng)計(jì)，截止2017 年，建筑能耗9.47 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消耗比重的21.11%；在全國(guó)建筑總面積643 億m2中，城鎮(zhèn)人均居住的建筑面積為37.2m2；建筑碳排放量占全國(guó)能源碳總排放量的19.5%。而農(nóng)村居住建筑碳排放量一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，農(nóng)村的建筑節(jié)能落后于城鎮(zhèn)。這與農(nóng)村的節(jié)能技術(shù)，政府投入，科研技術(shù)，推廣力度以及農(nóng)村發(fā)展自身的制約有著很大的關(guān)系。在延安農(nóng)村供暖方式主要有燒煤火爐、全村統(tǒng)一暖氣供暖、但往往忽視了保溫隔熱措施，導(dǎo)致延安地區(qū)農(nóng)居采暖能耗大、室內(nèi)熱環(huán)境差、新能源利用率低。這些問(wèn)題使得農(nóng)村建筑節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣刻不容緩。

2 延安氣候概況

延安地區(qū)位于東經(jīng)107°41′～110°31′、北緯35°21′～37°31′，平均海拔1200m，總面積達(dá)到37037km2，屬于黃土高原的中心地帶。夏季炎熱少雨、干旱，風(fēng)中含沙量大；冬季寒冷少雪、干燥，晝夜溫差大，最冷月平均氣溫-8℃，冬季長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月。延安市的氣候主要受到了季風(fēng)環(huán)流氣候的影響，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)易干旱氣候區(qū)。延安市日照時(shí)間較長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，太陽(yáng)的年平均輻射總量為5020MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)2418 h，日照率約55%，以5 月最多總時(shí)長(zhǎng)為247 h，2 月最少總時(shí)長(zhǎng)為173h。延安地區(qū)屬于太陽(yáng)能二類資源區(qū)，蘊(yùn)藏著十分豐富的太陽(yáng)能資源。

3 太陽(yáng)能集熱蓄熱墻分析

3.1 構(gòu)造

如圖1 所示，太陽(yáng)能集熱蓄熱墻的最外層為透光材料的玻璃，玻璃在該墻體中起到了透光、聚熱的效果。玻璃之下是涂抹了選擇性涂層材料的圍護(hù)墻體，該涂層以深色涂料為主，以方便吸收更多的熱能。圍護(hù)墻體的材料為延安特有的生土和麥秸稈，生土和麥秸稈這兩種材料混合砌筑可大大加強(qiáng)墻體的保溫效果。并在該墻體中布置了30～100mm 的空氣間層，該項(xiàng)布置主要用于吸收熱量，循環(huán)冷、熱空氣。在該空氣間層中設(shè)置集熱板，集熱板主要起到了儲(chǔ)存熱量的同時(shí)防止熱量散失的作用，大大提高了該墻的集熱、蓄熱的能力。集熱板后面依附著由生土和麥秸稈混合的承重墻體，并在該承重墻體的頂端和底端分別預(yù)留了氣孔，這兩個(gè)氣孔是整個(gè)墻體的熱空氣循環(huán)重要的一環(huán)。

3.2 原理

原理：熱空氣上升，冷空氣下降。

圖1 太陽(yáng)能集熱蓄熱墻構(gòu)造圖解

當(dāng)冬季白天時(shí)，太陽(yáng)光透過(guò)集熱蓄熱墻體的玻璃，并被涂以深色選擇性涂料的墻面吸收其熱量，被吸收的熱量聚集后，使得太陽(yáng)能集熱蓄熱墻體中的間層空氣溫度逐步上升，同時(shí)被吸收的熱量在空氣間層中的集熱板進(jìn)行加熱、保溫、存儲(chǔ)。空氣間層形成的熱空氣從上氣孔進(jìn)入室內(nèi)。熱空氣進(jìn)入室內(nèi)后，大面積聚集至室內(nèi)的高處，而室內(nèi)的冷空氣則聚集在屋子的下端，根據(jù)熱空氣上升，冷空氣下降的原理，冷空氣從下氣孔流入空氣間層。在空氣間層中被加熱后流入了房?jī)?nèi)，繼續(xù)為室內(nèi)提供熱空氣。以此往復(fù)，太陽(yáng)能集熱蓄熱墻體內(nèi)部形成一套熱循環(huán)系統(tǒng)，改善了室內(nèi)溫度。當(dāng)冬季夜晚時(shí)，用關(guān)閉兩端氣孔的方式切斷太陽(yáng)能集熱蓄熱墻的熱循環(huán)系統(tǒng)，保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定。當(dāng)夏季時(shí)，在墻體外表面增設(shè)隔熱窗簾或百葉，在源頭上阻斷太陽(yáng)能集熱蓄熱的工作。該墻體無(wú)傳統(tǒng)能源消耗的，依靠陜北地區(qū)的氣候條件被動(dòng)式收集太陽(yáng)能，將其轉(zhuǎn)換成熱能，以熱空氣的形式傳遞到室內(nèi)，改善室內(nèi)的熱環(huán)境。

4 太陽(yáng)能集熱蓄熱墻應(yīng)用的適宜性

4.1 自然條件適宜

長(zhǎng)期以來(lái)，延安市的太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚。延安地區(qū)地勢(shì)海拔高，日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng)度高，大氣透明度高，屬于太陽(yáng)能二類資源區(qū)，具有很大的太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。將這些資源轉(zhuǎn)化為可供居民使用的能源，對(duì)于延安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常有意義。與此同時(shí)，其豐富的太陽(yáng)能資源，為新型太陽(yáng)能集熱蓄熱墻的推行提供了適宜的條件，既合理利用了太陽(yáng)能資源又能使延安地區(qū)的采暖節(jié)能問(wèn)題得到進(jìn)一步地解決。

4.2 技術(shù)本身適宜

目前，集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽(yáng)能建筑在社會(huì)中應(yīng)用廣泛，它與直接受益式相比，集熱蓄熱墻式被動(dòng)太陽(yáng)能建筑既能用于冬季夜間供暖，又能用于夏季通風(fēng)降溫；與附加陽(yáng)光間式相比，集熱蓄熱墻具有集一蓄熱雙重功能，減少了空間的占用。延安地區(qū)晝夜溫差大，冬季晝間平均溫度-2℃～10℃，夜間平均溫度為-6℃～-15℃，寒冷的氣候和較大的溫差導(dǎo)致延安地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境差。新型集熱蓄熱墻在冬季日照正常情況下可向建筑物內(nèi)提供來(lái)自于室外經(jīng)過(guò)空氣間層加熱新鮮空氣。在不主動(dòng)消耗能源的情況下提高了室內(nèi)的溫度。這種新型集熱蓄熱墻可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低能耗，由于新型集熱蓄熱墻增加了墻面隔熱材料，可使室內(nèi)冬暖夏涼，這也是其他采暖設(shè)施無(wú)法比擬的。

4.3 經(jīng)濟(jì)性適宜

根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和調(diào)查，傳統(tǒng)取暖方式的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)取暖方式統(tǒng)計(jì)

基于以上傳統(tǒng)取暖方式的缺點(diǎn)，我們對(duì)新型集熱蓄熱墻做如下分析：使用新型集熱蓄熱墻的房屋，其投資比未使用新型集熱蓄熱墻的普通房屋最初的投資費(fèi)用增加了，但是又比普通房屋在取暖上節(jié)省能源和采暖費(fèi)用，用節(jié)能費(fèi)用可以抵償增加的投資，年限越短，新型集熱蓄熱墻的經(jīng)濟(jì)效益越好，根據(jù)建設(shè)新型集熱蓄熱墻的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在 4～8 年內(nèi)產(chǎn)生的效益足以彌補(bǔ)最初采暖投資額的增加部分。對(duì)一般農(nóng)村來(lái)說(shuō)，這樣的增幅在民眾可接受范圍內(nèi)。一般農(nóng)居中采用的集熱蓄熱墻采暖增加額基本都是在可接受范圍內(nèi)的，相對(duì)比于傳統(tǒng)采暖方式，集熱蓄熱墻在使用上具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)延安地區(qū)農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中存在的能耗高、對(duì)環(huán)境有一定的破壞力，且易造成室內(nèi)熱環(huán)境不良等問(wèn)題，結(jié)合延安地區(qū)的地理優(yōu)勢(shì)以及延安地區(qū)的建筑特點(diǎn)和人民生活習(xí)慣，宜使用新型太陽(yáng)能集熱蓄熱墻。此新型集熱蓄熱墻低能耗、零污染，既能用于冬季夜間供暖，又能用于夏季通風(fēng)降溫，極大的改善了室內(nèi)熱環(huán)境，具有極大優(yōu)勢(shì)。因此新型集熱蓄熱墻在延安地區(qū)的推廣十分可行。