高寒山區(qū)太陽(yáng)能復(fù)合采暖關(guān)鍵技術(shù)—集熱蓄熱及熱量輸送技術(shù)研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學(xué)）

高寒山區(qū)太陽(yáng)能復(fù)合采暖關(guān)鍵技術(shù)—集熱蓄熱及熱量輸送技術(shù)研究

姜赟程 王 振 張全芳 周淋萱 孔祥健

（西南交通大學(xué)）

黃勝關(guān)站地處川西北高原地區(qū)，海拔高，光照充足，太陽(yáng)能資源較為豐富，同時(shí)該地區(qū)冬季寒冷，需要進(jìn)行采暖。目前傳統(tǒng)的采暖方式仍然依靠煤炭、燃油、電力等常規(guī)能源，豐富的太陽(yáng)能資源得不到充分利用，造成非可再生能源大量消耗。本項(xiàng)目成蘭線黃勝關(guān)站將利用太陽(yáng)能進(jìn)行建筑采暖。進(jìn)行了采暖潛力分析和采暖負(fù)荷分析。對(duì)于前者主要考慮到室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)，土壤溫度，建筑模型設(shè)計(jì)和采暖負(fù)荷計(jì)算。對(duì)于后者對(duì)比分析了主被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖建筑，提出了幾個(gè)合理方案。為了找到最優(yōu)化的方案，最后還進(jìn)行了數(shù)值模擬在備選方案中遴選出了最佳方案。

冬季采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 室內(nèi)外空氣計(jì)算參數(shù)

松潘地處四川省北部，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季需采暖天數(shù)為167天（當(dāng)年10月24日—次年4月8日），全年采暖度日數(shù)（HDD18）為4218℃·d，在采暖期間，室外平均溫度為-0.1℃，建筑各個(gè)面（屋頂、南墻、北墻、東墻、西墻）的太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)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(jì)算參數(shù)

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

1.1.3 室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)

各類(lèi)公共建筑的大廳一般冬季采暖室內(nèi)空氣溫度采用16～18℃，而火車(chē)站候車(chē)廳主要由候車(chē)區(qū)、檢票區(qū)、通道等組成，人員大多處于靜坐或站立狀態(tài)，活動(dòng)強(qiáng)度較低，屬極輕勞動(dòng)，選取16℃作為該火車(chē)站候車(chē)廳室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度。

1.1.4 設(shè)計(jì)新風(fēng)量

候車(chē)廳的新風(fēng)量設(shè)為20m3/(h·人)。

1.2 土壤溫度

采暖期土壤溫度取最冷 3個(gè)月各月平均土壤溫度的平均值。因此松潘地區(qū)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(shí)際日照時(shí)間與可能日照時(shí)間（全天無(wú)云時(shí)應(yīng)有的日照時(shí)數(shù)）之比。冬季日照百分率應(yīng)采用累年最冷 3個(gè)月各月平均日照百分率的平均值。松潘地區(qū)最冷3個(gè)月分別為12月、1月、2月，這三個(gè)月的平均日照百分率分別為55%、51%、46%，因此，松潘地區(qū)冬季日照百分率取為50.7%

2 采暖負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于民用建筑，冬季熱負(fù)荷包括兩項(xiàng)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和由門(mén)窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣耗熱量。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱量、加熱由于外門(mén)短時(shí)間開(kāi)啟而侵入的冷空氣耗熱量和一部分太陽(yáng)輻射熱量的代數(shù)和。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量按照基本耗熱量和附加耗熱量?jī)刹糠钟?jì)算。

2.1.1 基本耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計(jì)算公式

式中 Qj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，W；

Aj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2；

Kj——j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

tR——冬季室內(nèi)計(jì)算溫度，℃ ；

to ——采暖室外計(jì)算溫度，℃,，根據(jù)上文取-7.2℃，地面?zhèn)鳠崛⊥寥罍囟?0.77℃

a；——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范[1]，候車(chē)廳南北外墻、屋頂、地面、門(mén)窗的溫差修正系數(shù)為1.0；東西墻底部?jī)?nèi)墻部分與采暖房間接觸，通過(guò)該墻的傳熱量遠(yuǎn)低于候車(chē)廳負(fù)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(shù)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(yīng)考慮當(dāng)?shù)囟救照站G及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的大小。根據(jù)前文，松潘地區(qū)冬季日照百分率為50.7%。因此垂直外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fēng)力附加率

黃勝關(guān)站地處開(kāi)闊的郊外，周?chē)鸁o(wú)其它建筑物遮擋，容易受到自然風(fēng)的影響，垂直外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷附加7.5%。

（3）外門(mén)附加率

黃勝關(guān)站候車(chē)廳屬于公共建筑，外門(mén)附加率取500%。

（4）高度附加率

當(dāng)民用建筑的房間凈高超過(guò)4m時(shí)，每增加1m，附加率提高為2%，但最大附加率不超過(guò)15%。黃勝關(guān)站候車(chē)廳高9.0m，高度附加率取10%

2.2 門(mén)窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量

門(mén)窗縫隙滲入冷空氣耗熱量的計(jì)算公式

式中iQ——為加熱門(mén)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(guān)站候車(chē)廳空間高大，南北兩面均有外窗和外門(mén)，室外空氣主要通過(guò)候車(chē)廳底部門(mén)窗滲入，頂部空氣流動(dòng)性較差，根據(jù)此處滲透冷空氣量按照整個(gè)房間的換氣次數(shù)為0.5取值；

oρ——采暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度，取為0.946kg/m3；

主被動(dòng)太陽(yáng)能采暖分析

本文基于黃勝關(guān)站候車(chē)廳分別采用被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖方式和主被動(dòng)合用的太陽(yáng)能采暖方式對(duì)太陽(yáng)能采暖的潛力進(jìn)行分析。

主被動(dòng)合用的太陽(yáng)能采暖建筑

主被動(dòng)合用的太陽(yáng)能建筑，是在只采用被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑的基礎(chǔ)上加入獨(dú)立的太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)方式合用的太陽(yáng)能建筑。

1. 設(shè)計(jì)方案：

采用無(wú)蓋板太陽(yáng)能新風(fēng)集熱系統(tǒng)與有蓋板太陽(yáng)能回風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)相結(jié)合的采暖方式。該系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）集熱部分：無(wú)蓋板太陽(yáng)能新風(fēng)集熱系統(tǒng)抽吸室外新風(fēng)并進(jìn)行加熱，為候車(chē)廳提供新鮮空氣補(bǔ)充；而有蓋板太陽(yáng)能回風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)不斷對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)加熱，提供房間所需熱負(fù)荷；（2）蓄熱部分：集熱系統(tǒng)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(yáng)光進(jìn)行蓄熱，而靠近北墻的地面巖石堆積床主要接受來(lái)自有蓋板太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的多余熱量，通過(guò)專(zhuān)門(mén)管道送入地下蓄熱體進(jìn)行蓄熱。

2.數(shù)值模擬

我們選擇star ccm+為數(shù)值模擬軟件，并依據(jù)其建模和計(jì)算參數(shù)等流程進(jìn)行車(chē)站空間溫度、壓力、流速場(chǎng)的模擬。

1.建模過(guò)程

模型的建立經(jīng)歷了南面、頂部各一個(gè)空氣集熱器蓋板，南部集熱器采用下部開(kāi)口進(jìn)風(fēng)，最上端開(kāi)口向車(chē)站空間輸送新風(fēng)，收集南部熱量的同時(shí)保證車(chē)站的空氣質(zhì)量，頂部?jī)啥烁鳛檠h(huán)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，用于收集車(chē)站上部的太陽(yáng)能并輸送到北部背陽(yáng)面。

2.模型參數(shù)

車(chē)站模型為長(zhǎng)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(jìn)出風(fēng)口全為15cm。由于為二維模擬，將不考慮厚度的大小。

2.1 網(wǎng)格

2．1．1 網(wǎng)格模型

選擇表面重構(gòu)和四面體網(wǎng)格為網(wǎng)格模型。

2．1．1 網(wǎng)格尺寸

基本尺寸為0.15 m，除南部及頂部加密處，其它網(wǎng)格參數(shù)均選擇初始值。

加密位置南部集熱器蓋板、車(chē)站空間最頂端 1mm、頂部的集熱器蓋板和集熱器循環(huán)送風(fēng)口。

2．2 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

①初始值：壓力：101325Mp；靜態(tài)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(jìn)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(dòng)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(shù)先設(shè)定為5000次，如果不收斂則加大迭代次數(shù)。

其他參數(shù)均為軟件初始值，對(duì)于此模擬計(jì)算已經(jīng)足夠。

3．綜述

結(jié)合建模，劃分網(wǎng)格，設(shè)定參數(shù)及后期的處理，再加上對(duì)模擬圖的數(shù)據(jù)分析，此次數(shù)值計(jì)算以溫度適宜，壓力適中，速度平緩的結(jié)果評(píng)價(jià)了前期的所有模型，不僅得到了讓人滿意的計(jì)算結(jié)果，而且達(dá)到了將車(chē)站南部及頂部的太陽(yáng)能輸送到北部的目的。

[1] 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2003）

[2] 《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》 . 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005，4

[3]《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）

[4] 《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26-2010）

[5] 供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)

[6] 《被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)規(guī)范》JGJ/T 267-2012

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1007-6344（2015）08-0076-02