北方寒冷地區農宅太陽能供暖試驗研究

趙金秀，任春立，溫翠玲，李國芝

(1.唐山學院 土木工程學院，河北 唐山 063000；2.唐山市第一職業中等專科學校，河北 唐山 063000；3.唐山紅陽太陽能有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

在能源發展的新時代，我國能源行業應貫徹“十九大”報告精神，以能源發展“十三五”規劃為指引，構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系。自“九五”以來，我國在城鎮建筑節能與新能源利用方面已有了成效明顯的政策、標準、科研成果及應用體系，但對于農村，由于建筑分散、技術落后、村民節能意識淡薄等問題，其住宅建筑(簡稱“農宅”)仍存在用能嚴重浪費和新能源利用明顯不足等現象。據有關研究表明，農村建筑能耗約占我國建筑總能耗的39%[1]。目前在我國北方地區，農宅多采用效率極低的燃煤采暖爐(俗稱“土暖氣”)進行冬季取暖，這不僅使室內舒適性不高，而且要消耗大量的煤炭資源，造成礦物資源的緊缺，同時燃煤帶來的環境污染物增加，導致農宅室內外的空氣質量明顯降低。所以北方寒冷地區農宅供暖方式的改造問題是目前面臨的重要任務。

我國寒冷地區由于供暖時間較長、供暖能耗偏大，利用太陽能供暖符合我國節能減排、發展低碳經濟的目標和要求[2]。近年來，一些專家學者對太陽能供暖系統在寒冷地區農宅的應用進行了相關研究。張葉等[3]對太陽能相變蓄熱地板輻射供暖系統應用于烏魯木齊地區辦公建筑進行了試驗研究，得出此供暖系統在烏魯木齊地區具有較好的應用價值。李金平等[4]對西北新農村建筑太陽能主動供暖進行了試驗研究，結果表明，天氣晴朗的情況下太陽能單獨供暖能夠滿足西北新農村建筑的供暖要求。鄭豪放[5]通過在青海省建立太陽能炕與太陽能空氣集熱器復合采暖系統，得出了太陽能主被動復合供暖系統在青海省的實用性強、熱舒適性優良的結論。鄧杰等[6]結合北京幕墻式太陽能供暖系統示范工程，對幕墻式太陽能供暖系統進行了熱性能測試與分析，結果表明，室外平均氣溫為-7.7 ℃，太陽能集熱系統的平均集熱效率約為27.5%，補熱系統的熱泵平均COP為1.554；末端風機盤管采用側面向下送風的氣流組織形式時，室內供暖效果較好。

為響應國家節能減排、低碳經濟的號召，提高北方寒冷地區農宅室內的舒適性，本文結合太陽能在建筑供暖方面的應用，提出了一套適于北方寒冷地區的太陽能供暖系統，對其在農宅(試驗建筑)中的應用情況進行分析，并與燃煤采暖爐供暖的農宅(對比建筑)進行冬季運行測試對比，以此來檢驗該太陽能系統在農宅建筑中的應用效果。

1 試驗建筑概況

試驗建筑位于唐山市豐南區堿坨村，地處寒冷的華北地區，該地區太陽輻射年均值為4 960～5 200 MJ/m2[7]，太陽輻射照度較高，陽光富足。堿坨村街道整齊，農宅布局規整，均為帶農院的單層建筑。每戶農宅建筑面積約120 m2，建筑高度為3.2 m；建筑外墻體結構為磚混結構，主體厚度為370 mm，外層為5 mm水泥砂漿+10 mm外墻面磚，內層為15 mm水泥砂漿，外墻體的綜合傳熱系數約2.4 W/(m2·K)；窗戶多為單層玻璃塑鋼窗或木窗，平均傳熱系數為3.5～4.9 W/(m2·K)。農宅冬季采暖方式多為“土暖氣”。經熱負荷計算，該建筑設計熱負荷約為11 200 W。

將該村相鄰的兩戶農宅作為研究對象，其中一戶農宅為試驗建筑，對其進行圍護結構節能改造：對外墻進行外保溫處理，將外墻面磚清除，然后粘貼50 mm厚模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板，外抹25 mm水泥砂漿保護層；單層玻璃塑鋼門窗更換為(5+12+5)mm單框雙玻塑鋼窗。改造后墻體傳熱系數為0.55 W/(m2·K)，門窗的傳熱系數為2.45 W/(m2·K)。經熱負荷計算，該試驗建筑的設計熱負荷約為5 700 W。對試驗建筑應用太陽能供暖系統進行設計，另一戶農宅為對比建筑，仍采用燃煤暖氣爐進行供暖。

2 太陽能供暖系統設計

2.1 系統組成

太陽能供暖系統主要由真空管太陽能集熱器、太陽能循環泵、儲熱換熱水箱、散熱器、供暖循環泵、控制裝置等組成。此系統冬季可供暖，其他季節可提供生活熱水。冬季時，優先滿足供暖要求，供暖系統環路開啟，生活熱水環路保持關閉狀態，并且當太陽能供暖不足時，啟動電輔助加熱器，考慮到農村室內穿衣舒適狀況，電輔助加熱器溫度啟停范圍設定為室內空氣溫度低于14 ℃時，電輔助加熱器啟動；室內溫度高于16 ℃時，電輔助加熱器關閉。其他季節，供暖系統環路關閉，生活熱水環路開啟。太陽能供暖系統工作原理見圖1。

圖1 太陽能供暖系統工作原理圖

2.2 系統布置

經設計計算，在試驗建筑屋頂敷設真空管太陽能集熱器6組，每組50根集熱管，共300根集熱管，集熱器與屋面的敷設傾角為10°～12°(見圖2)。在屋面一角設置儲熱換熱水箱。為保證系統產生的氣體順利通過水箱并排出，以及熱水順暢流經室內散熱器，水箱位置比系統最高點要高出0.3 m，設計水箱容積為0.5 m3。

圖2 太陽能集熱器屋頂敷設

3 試驗測試參數及測試儀器

在冬季供暖期間，測試試驗建筑和對比建筑的主要房間(臥室)的空氣溫度、房間內墻壁溫度、空氣質量、耗電量。測試儀器見表1。

表1 測試儀器

測試時間從2015年11月16日系統正式運行開始至2016年3月15日系統運行停止。通過布置在試驗建筑和對比建筑室內和內墻壁表面的熱電偶溫度傳感器測試室內和內墻壁溫度，測試時間間隔為20 min；通過布置在試驗建筑和對比建筑室內主要房間(臥室)的空氣質量測試儀監測室內空氣質量，測試時間間隔為20 min；通過電表測試試驗建筑中系統泵和電加熱器的耗電量。

4 試驗數據及分析

4.1 室內溫度和內墻壁溫度

對供暖時段的晴天及陰天典型日的測試數據進行分析，分別采集2015年12月30日陰天(室外溫度為-9～4 ℃)和2016年2月23日晴天(室外溫度為-11～3 ℃)試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)室內溫度和內墻壁溫度的測試數據，結果如圖3，圖4，圖5和圖6所示。

圖3 晴天試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內溫度分布

圖4 陰天試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內溫度分布

圖5 晴天試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的內墻壁溫度分布

圖6 陰天試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的內墻壁溫度分布

從圖3中可以看出，晴天天氣下，試驗建筑全天室內溫度平均為16.62 ℃，最低為14.5 ℃，最高為18.3 ℃，溫度波動幅度為3.8 ℃，波動幅度比較小；而對比建筑全天室內溫度平均為15.42 ℃，最低為11.5 ℃，最高為18.2 ℃，溫度波動幅度為6.7 ℃，波動幅度相對較大。

從圖4中可以看出，陰天天氣下，試驗建筑全天室內溫度平均為16.58 ℃，最低為14.4 ℃，最高為17.8 ℃，溫度波動幅度為3.4 ℃，波動幅度也比較小；而對比建筑全天室內溫度平均為14.62 ℃，最低為11.5 ℃，最高為18.1 ℃，溫度波動幅度為6.6 ℃，波動幅度相對較大。

由此說明，無論什么天氣狀況，試驗建筑的室內溫度波動幅度都比較小，冬季室內平均溫度都高于對比建筑，熱舒適性和熱穩定性都較好。這一方面源于對建筑圍護結構進行外保溫后，其熱惰性增強，保溫隔熱性較好；另一方面源于該太陽能供暖系統采取溫度控制，當太陽能不足時，電輔助加熱器啟動，保證了室內處于較舒適的溫度。

從圖5中可以看出，晴天天氣下，試驗建筑的內墻壁溫度平均為12.94 ℃，最低為12.4 ℃，最高為13.5 ℃，溫度波動幅度為1.1 ℃，熱穩定性較好；對比建筑的內墻壁溫度平均為8.47 ℃，最低為6.0 ℃，最高為11.5 ℃，溫度波動幅度為5.5 ℃，波動幅度較大。

從圖6中可以看出，陰天天氣下，試驗建筑的內墻壁溫度平均為12.93 ℃，最低為12.4 ℃，最高為13.3 ℃，溫度波動幅度為0.9 ℃，熱穩定性較好；對比建筑的內墻壁溫度平均為8.51 ℃，最低為6.1 ℃，最高為11.4 ℃，溫度波動幅度為5.3 ℃，熱穩定性較差。

通過內墻壁溫度測試對比可以看出，試驗建筑的熱穩定明顯好于對比建筑，這是源于試驗建筑進行了圍護結構的保溫節能改造，可見建筑圍護結構節能改造對提高建筑熱穩定性的意義之大。

4.2 室內空氣質量和舒適性

對供暖時段的室內空氣質量進行測試，2016年2月23日采集試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內空氣PM2.5和CO2濃度測試數據，結果如圖7和圖8所示。

圖7 試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內空氣PM2.5

圖8 試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內空氣CO2濃度

從圖7中可以看出，試驗建筑室內空氣PM2.5范圍在57～71 μg/m3，24 h平均值為65.9 μg/m3，未超出《室內空氣質量標準》GB/T18883-2002二類環境限值75 μg/m3；而對比建筑室內空氣PM2.5范圍在74～354 μg/m3，24 h平均值為202.3 μg/m3，遠超出限值。從圖8中可以看出，試驗建筑室內空氣CO2濃度在692～811 ppm，24 h平均值為741.5 ppm，未超出《室內空氣質量標準》GB/T18883-2002的限值1 000 ppm；而對比建筑室內空氣CO2濃度在892～1 412 ppm，24 h平均值為1 132 ppm，已超出限值。這是由于對比建筑供暖期間采用燃煤爐取暖，在早晚燃煤爐燃燒煤燃料時，室內空氣PM2.5和CO2濃度明顯增大，其余時間相對較低；而試驗建筑采用太陽能供暖，室內空氣質量較好。

人對室內空氣環境的主觀評價既有熱舒適性，又有對室內空氣新鮮性的感受[8]。問卷調研兩戶人家對室內舒適性的評價，結果見表2。試驗建筑的評價明顯高于對比建筑，分析原因：一方面是試驗建筑室內溫度全天滿足舒適范圍，另一方面是圍護結構使內墻壁溫度的冷輻射減弱，也提高了人體的熱舒適性；在空氣質量方面，由于對比建筑燃煤爐燃煤引起室內空氣氣味和顆粒物增多，使人感覺空氣不新鮮。

表2 試驗建筑和對比建筑室內舒適性評價

4.3 節能環保效益

整個冬季測試下來，試驗建筑太陽能供暖系統耗電量由電表測得為885 kW·h，對比建筑一個冬季供暖耗煤量為1.5 t，折合耗電量約為4 275 kW·h(取2 850 kW·h/噸煤)。可見，試驗建筑比對比建筑節省電能3 390 kW·h，由此減少CO2氣體排放量79.4%，節能環保效益顯著。

5 結論

對試驗建筑進行圍護結構保溫節能改造后，應用太陽能供暖技術，使一套供暖系統實現了冬季供暖、其他季節提供生活熱水的功能。

在冬季供暖時對應用太陽能供暖系統的試驗建筑和采用燃煤采暖爐供暖的對比建筑進行室內溫度和內墻壁溫度測試分析，結果顯示，無論晴天還是陰天條件下，試驗建筑室內平均溫度都在16.5 ℃以上，且溫度波動幅度都在3.8 ℃以下，而對比建筑室內平均溫度為15.4 ℃以下，陰天時只有14.6 ℃，且溫度波動幅度達到6.6 ℃以上，熱穩定性和熱舒適性較差；晴、陰天條件對試驗建筑的內墻壁溫度影響很小，且溫度波動幅度較小，在1.0 ℃左右，而對比建筑的內墻壁溫度受室外溫度影響較大，平均溫度較低，為8.5 ℃，且波動幅度達到5.0 ℃以上，熱穩定性和熱舒適性較差。對試驗建筑和對比建筑的冬季室內空氣質量進行測試，結果顯示，試驗建筑室內空氣質量較好，對比建筑在燃煤爐使用期間室內空氣的PM2.5和CO2濃度都超出了《室內空氣質量標準》要求的限值。另外人對室內環境的舒適性評價結果也表明，無論是熱舒適性和還是空氣質量，試驗建筑都優于對比建筑。

對試驗建筑和對比建筑進行能耗對比分析，結果顯示，試驗建筑的節能環保效益顯著，比對比建筑節省電能3 390 kW·h，減少CO2排放量79.4%。