高寒山區太陽能復合采暖關鍵技術—集熱蓄熱及熱量輸送技術研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學）

高寒山區太陽能復合采暖關鍵技術—集熱蓄熱及熱量輸送技術研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學）

黃勝關站地處川西北高原地區，海拔高，光照充足，太陽能資源較為豐富，同時該地區冬季寒冷，需要進行采暖。目前傳統的采暖方式仍然依靠煤炭、燃油、電力等常規能源，豐富的太陽能資源得不到充分利用，造成非可再生能源大量消耗。本項目成蘭線黃勝關站將利用太陽能進行建筑采暖。進行了采暖潛力分析和采暖負荷分析。對于前者主要考慮到室內外空氣計算參數，土壤溫度，建筑模型設計和采暖負荷計算。對于后者對比分析了主被動式太陽能采暖建筑，提出了幾個合理方案。為了找到最優化的方案，最后還進行了數值模擬在備選方案中遴選出了最佳方案。

冬季采暖負荷計算結果

1 設計參數

1.1 室內外空氣計算參數

松潘地處四川省北部，屬于嚴寒地區，冬季需采暖天數為167天（當年10月24日—次年4月8日），全年采暖度日數（HDD18）為4218℃·d，在采暖期間，室外平均溫度為-0.1℃，建筑各個面（屋頂、南墻、北墻、東墻、西墻）的太陽總輻射平均強度分別為136W/m2、132 W/m2、41 W/m2、71 W/m2、70 W/m2。

1.1.2 室外空氣計算參數

采暖室外計算溫度應采用歷年平均不保證 5天的日平均溫度，冬季通風室外計算溫度應采用累年最冷月平均溫度。松潘地區冬季采暖室外計算干球溫度為-7.2℃，冬季通風室外計算干球溫度為-6.1℃。

1.1.3 室內空氣計算參數

各類公共建筑的大廳一般冬季采暖室內空氣溫度采用16～18℃，而火車站候車廳主要由候車區、檢票區、通道等組成，人員大多處于靜坐或站立狀態，活動強度較低，屬極輕勞動，選取16℃作為該火車站候車廳室內空氣設計溫度。

1.1.4 設計新風量

候車廳的新風量設為20m3/(h·人)。

1.2 土壤溫度

采暖期土壤溫度取最冷 3個月各月平均土壤溫度的平均值。因此松潘地區采暖期土壤溫度取為-0.77℃。

1.3 冬季日照百分率

日照百分率即實際日照時間與可能日照時間（全天無云時應有的日照時數）之比。冬季日照百分率應采用累年最冷 3個月各月平均日照百分率的平均值。松潘地區最冷3個月分別為12月、1月、2月，這三個月的平均日照百分率分別為55%、51%、46%，因此，松潘地區冬季日照百分率取為50.7%

2 采暖負荷計算

對于民用建筑，冬季熱負荷包括兩項：圍護結構的耗熱量和由門窗縫隙滲入室內的冷空氣耗熱量。其中圍護結構的耗熱量是圍護結構的溫差傳熱量、加熱由于外門短時間開啟而侵入的冷空氣耗熱量和一部分太陽輻射熱量的代數和。

2.1 圍護結構的耗熱量

圍護結構的耗熱量按照基本耗熱量和附加耗熱量兩部分計算。

2.1.1 基本耗熱量

圍護結構的基本耗熱量計算公式

式中 Qj——j部分圍護結構的基本耗熱量，W；

Aj——j部分圍護結構的表面積，m2；

Kj——j部分圍護結構的傳熱系數，W/(m2·℃)；

tR——冬季室內計算溫度，℃ ；

to ——采暖室外計算溫度，℃,，根據上文取-7.2℃，地面傳熱取土壤溫度-0.77℃

a；——圍護結構的溫差修正系數，根據規范[1]，候車廳南北外墻、屋頂、地面、門窗的溫差修正系數為1.0；東西墻底部內墻部分與采暖房間接觸，通過該墻的傳熱量遠低于候車廳負荷的 10%，不予考慮；東西墻頂部與室外大氣相通，溫差修正系數取為1.0；

2.1.2 附加耗熱量

（1）朝向修正率

朝向修正率的選取應考慮當地冬季日照綠及太陽輻射強度的大小。根據前文，松潘地區冬季日照百分率為50.7%。因此垂直外圍護結構的朝向修正選取如下：

東、西朝向修正取為-5%；南向修正取為-20%；北向修正取為5%；（2）風力附加率

黃勝關站地處開闊的郊外，周圍無其它建筑物遮擋，容易受到自然風的影響，垂直外圍護結構熱負荷附加7.5%。

（3）外門附加率

黃勝關站候車廳屬于公共建筑，外門附加率取500%。

（4）高度附加率

當民用建筑的房間凈高超過4m時，每增加1m，附加率提高為2%，但最大附加率不超過15%。黃勝關站候車廳高9.0m，高度附加率取10%

2.2 門窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量

門窗縫隙滲入冷空氣耗熱量的計算公式

式中iQ——為加熱門窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量，W；

L——滲透冷空氣量，m3/h，黃勝關站候車廳空間高大，南北兩面均有外窗和外門，室外空氣主要通過候車廳底部門窗滲入，頂部空氣流動性較差，根據此處滲透冷空氣量按照整個房間的換氣次數為0.5取值；

oρ——采暖室外計算溫度下的空氣密度，取為0.946kg/m3；

主被動太陽能采暖分析

本文基于黃勝關站候車廳分別采用被動式太陽能采暖方式和主被動合用的太陽能采暖方式對太陽能采暖的潛力進行分析。

主被動合用的太陽能采暖建筑

主被動合用的太陽能建筑，是在只采用被動式太陽能建筑的基礎上加入獨立的太陽能空氣集熱系統，從而實現主被動方式合用的太陽能建筑。

1. 設計方案：

采用無蓋板太陽能新風集熱系統與有蓋板太陽能回風循環加熱系統相結合的采暖方式。該系統主要由三部分組成：（1）集熱部分：無蓋板太陽能新風集熱系統抽吸室外新風并進行加熱，為候車廳提供新鮮空氣補充；而有蓋板太陽能回風循環加熱系統不斷對室內空氣進行循環加熱，提供房間所需熱負荷；（2）蓄熱部分：集熱系統多余的熱量主要靠嵌于地面的巖石堆積床，該巖石堆積床主要分為兩部分，靠近南墻的部分直接接受南向直接太陽光進行蓄熱，而靠近北墻的地面巖石堆積床主要接受來自有蓋板太陽能空氣集熱系統的多余熱量，通過專門管道送入地下蓄熱體進行蓄熱。

2.數值模擬

我們選擇star ccm+為數值模擬軟件，并依據其建模和計算參數等流程進行車站空間溫度、壓力、流速場的模擬。

1.建模過程

模型的建立經歷了南面、頂部各一個空氣集熱器蓋板，南部集熱器采用下部開口進風，最上端開口向車站空間輸送新風，收集南部熱量的同時保證車站的空氣質量，頂部兩端各為循環進風口和出風口，用于收集車站上部的太陽能并輸送到北部背陽面。

2.模型參數

車站模型為長14.4m，寬8.7m，南部集熱器為4m,頂部集熱器都為4.75m，之間間距7.5cm，各進出風口全為15cm。由于為二維模擬，將不考慮厚度的大小。

2.1 網格

2．1．1 網格模型

選擇表面重構和四面體網格為網格模型。

2．1．1 網格尺寸

基本尺寸為0.15 m，除南部及頂部加密處，其它網格參數均選擇初始值。

加密位置南部集熱器蓋板、車站空間最頂端 1mm、頂部的集熱器蓋板和集熱器循環送風口。

2．2 計算參數設定

①初始值：壓力：101325Mp；靜態溫度：288.0 K

②重力參考值及方向：[0.0, -9.81, 0.0] m/s^2

邊界值：

③南部集熱器：入口速度：3.0 m/s 進口空氣溫度：288.0 K 集熱器熱流密度：200.0 W/m^2；

④頂部集熱器：動量源：[0.0,20.0,0.0]N/m^3,集熱器熱流密度300.0W/m^2。

⑤迭代次數先設定為5000次，如果不收斂則加大迭代次數。

其他參數均為軟件初始值，對于此模擬計算已經足夠。

3．綜述

結合建模，劃分網格，設定參數及后期的處理，再加上對模擬圖的數據分析，此次數值計算以溫度適宜，壓力適中，速度平緩的結果評價了前期的所有模型，不僅得到了讓人滿意的計算結果，而且達到了將車站南部及頂部的太陽能輸送到北部的目的。

[1] 《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019-2003）

[2] 《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》 . 北京：中國建筑工業出版社，2005，4

[3]《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2005）

[4] 《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ26-2010）

[5] 供暖通風設計手冊

[6] 《被動式太陽能建筑技術規范》JGJ/T 267-2012

G322

B

1007-6344（2015）08-0076-02