北方寒冷地區(qū)農(nóng)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(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山市第一職業(yè)中等專科學(xué)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(fā)展的新時代，我國能源行業(yè)應(yīng)貫徹“十九大”報告精神，以能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃為指引，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。自“九五”以來，我國在城鎮(zhèn)建筑節(jié)能與新能源利用方面已有了成效明顯的政策、標(biāo)準(zhǔn)、科研成果及應(yīng)用體系，但對于農(nóng)村，由于建筑分散、技術(shù)落后、村民節(jié)能意識淡薄等問題，其住宅建筑(簡稱“農(nóng)宅”)仍存在用能嚴重浪費和新能源利用明顯不足等現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)研究表明，農(nóng)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(qū)，農(nóng)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(nèi)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(huán)境污染物增加，導(dǎo)致農(nóng)宅室內(nèi)外的空氣質(zhì)量明顯降低。所以北方寒冷地區(qū)農(nóng)宅供暖方式的改造問題是目前面臨的重要任務(wù)。

我國寒冷地區(qū)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(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的目標(biāo)和要求[2]。近年來，一些專家學(xué)者對太陽能供暖系統(tǒng)在寒冷地區(qū)農(nóng)宅的應(yīng)用進行了相關(guān)研究。張葉等[3]對太陽能相變蓄熱地板輻射供暖系統(tǒng)應(yīng)用于烏魯木齊地區(qū)辦公建筑進行了試驗研究，得出此供暖系統(tǒng)在烏魯木齊地區(qū)具有較好的應(yīng)用價值。李金平等[4]對西北新農(nóng)村建筑太陽能主動供暖進行了試驗研究，結(jié)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(nóng)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(fù)合采暖系統(tǒng)，得出了太陽能主被動復(fù)合供暖系統(tǒng)在青海省的實用性強、熱舒適性優(yōu)良的結(jié)論。鄧杰等[6]結(jié)合北京幕墻式太陽能供暖系統(tǒng)示范工程，對幕墻式太陽能供暖系統(tǒng)進行了熱性能測試與分析，結(jié)果表明，室外平均氣溫為-7.7 ℃，太陽能集熱系統(tǒng)的平均集熱效率約為27.5%，補熱系統(tǒng)的熱泵平均COP為1.554；末端風(fēng)機盤管采用側(cè)面向下送風(fēng)的氣流組織形式時，室內(nèi)供暖效果較好。

為響應(yīng)國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的號召，提高北方寒冷地區(qū)農(nóng)宅室內(nèi)的舒適性，本文結(jié)合太陽能在建筑供暖方面的應(yīng)用，提出了一套適于北方寒冷地區(qū)的太陽能供暖系統(tǒng)，對其在農(nóng)宅(試驗建筑)中的應(yīng)用情況進行分析，并與燃煤采暖爐供暖的農(nóng)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(tǒng)在農(nóng)宅建筑中的應(yīng)用效果。

1 試驗建筑概況

試驗建筑位于唐山市豐南區(qū)堿坨村，地處寒冷的華北地區(qū)，該地區(qū)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(nóng)宅布局規(guī)整，均為帶農(nóng)院的單層建筑。每戶農(nóng)宅建筑面積約120 m2，建筑高度為3.2 m；建筑外墻體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，主體厚度為370 mm，外層為5 mm水泥砂漿+10 mm外墻面磚，內(nèi)層為15 mm水泥砂漿，外墻體的綜合傳熱系數(shù)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(shù)為3.5～4.9 W/(m2·K)。農(nóng)宅冬季采暖方式多為“土暖氣”。經(jīng)熱負荷計算，該建筑設(shè)計熱負荷約為11 200 W。

將該村相鄰的兩戶農(nóng)宅作為研究對象，其中一戶農(nóng)宅為試驗建筑，對其進行圍護結(jié)構(gòu)節(jié)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(shù)為0.55 W/(m2·K)，門窗的傳熱系數(shù)為2.45 W/(m2·K)。經(jīng)熱負荷計算，該試驗建筑的設(shè)計熱負荷約為5 700 W。對試驗建筑應(yīng)用太陽能供暖系統(tǒng)進行設(shè)計，另一戶農(nóng)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(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

太陽能供暖系統(tǒng)主要由真空管太陽能集熱器、太陽能循環(huán)泵、儲熱換熱水箱、散熱器、供暖循環(huán)泵、控制裝置等組成。此系統(tǒng)冬季可供暖，其他季節(jié)可提供生活熱水。冬季時，優(yōu)先滿足供暖要求，供暖系統(tǒng)環(huán)路開啟，生活熱水環(huán)路保持關(guān)閉狀態(tài)，并且當(dāng)太陽能供暖不足時，啟動電輔助加熱器，考慮到農(nóng)村室內(nèi)穿衣舒適狀況，電輔助加熱器溫度啟停范圍設(shè)定為室內(nèi)空氣溫度低于14 ℃時，電輔助加熱器啟動；室內(nèi)溫度高于16 ℃時，電輔助加熱器關(guān)閉。其他季節(jié)，供暖系統(tǒng)環(huán)路關(guān)閉，生活熱水環(huán)路開啟。太陽能供暖系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 太陽能供暖系統(tǒng)工作原理圖

2.2 系統(tǒng)布置

經(jīng)設(shè)計計算，在試驗建筑屋頂敷設(shè)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(shè)傾角為10°～12°(見圖2)。在屋面一角設(shè)置儲熱換熱水箱。為保證系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體順利通過水箱并排出，以及熱水順暢流經(jīng)室內(nèi)散熱器，水箱位置比系統(tǒng)最高點要高出0.3 m，設(shè)計水箱容積為0.5 m3。

圖2 太陽能集熱器屋頂敷設(shè)

3 試驗測試參數(shù)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(nèi)墻壁溫度、空氣質(zhì)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(tǒng)正式運行開始至2016年3月15日系統(tǒng)運行停止。通過布置在試驗建筑和對比建筑室內(nèi)和內(nèi)墻壁表面的熱電偶溫度傳感器測試室內(nèi)和內(nèi)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(nèi)主要房間(臥室)的空氣質(zhì)量測試儀監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，測試時間間隔為20 min；通過電表測試試驗建筑中系統(tǒng)泵和電加熱器的耗電量。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 室內(nèi)溫度和內(nèi)墻壁溫度

對供暖時段的晴天及陰天典型日的測試數(shù)據(jù)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(nèi)溫度和內(nèi)墻壁溫度的測試數(shù)據(jù)，結(jié)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度波動幅度都比較小，冬季室內(nèi)平均溫度都高于對比建筑，熱舒適性和熱穩(wěn)定性都較好。這一方面源于對建筑圍護結(jié)構(gòu)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(tǒng)采取溫度控制，當(dāng)太陽能不足時，電輔助加熱器啟動，保證了室內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性較好；對比建筑的內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性較好；對比建筑的內(nèi)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(wěn)定性較差。

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

4.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適性

對供暖時段的室內(nèi)空氣質(zhì)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(nèi)空氣PM2.5和CO2濃度測試數(shù)據(jù)，結(jié)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(nèi)空氣PM2.5

圖8 試驗建筑和對比建筑主要房間(臥室)的室內(nèi)空氣CO2濃度

從圖7中可以看出，試驗建筑室內(nèi)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(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002二類環(huán)境限值75 μg/m3；而對比建筑室內(nèi)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(nèi)空氣CO2濃度在692～811 ppm，24 h平均值為741.5 ppm，未超出《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002的限值1 000 ppm；而對比建筑室內(nèi)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(nèi)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(nèi)空氣質(zhì)量較好。

人對室內(nèi)空氣環(huán)境的主觀評價既有熱舒適性，又有對室內(nèi)空氣新鮮性的感受[8]。問卷調(diào)研兩戶人家對室內(nèi)舒適性的評價，結(jié)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(nèi)溫度全天滿足舒適范圍，另一方面是圍護結(jié)構(gòu)使內(nèi)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(zhì)量方面，由于對比建筑燃煤爐燃煤引起室內(nèi)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(nèi)舒適性評價

4.3 節(jié)能環(huán)保效益

整個冬季測試下來，試驗建筑太陽能供暖系統(tǒng)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(jié)省電能3 390 kW·h，由此減少CO2氣體排放量79.4%，節(jié)能環(huán)保效益顯著。

5 結(jié)論

對試驗建筑進行圍護結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能改造后，應(yīng)用太陽能供暖技術(shù)，使一套供暖系統(tǒng)實現(xiàn)了冬季供暖、其他季節(jié)提供生活熱水的功能。

在冬季供暖時對應(yīng)用太陽能供暖系統(tǒng)的試驗建筑和采用燃煤采暖爐供暖的對比建筑進行室內(nèi)溫度和內(nèi)墻壁溫度測試分析，結(jié)果顯示，無論晴天還是陰天條件下，試驗建筑室內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性和熱舒適性較差；晴、陰天條件對試驗建筑的內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性和熱舒適性較差。對試驗建筑和對比建筑的冬季室內(nèi)空氣質(zhì)量進行測試，結(jié)果顯示，試驗建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量較好，對比建筑在燃煤爐使用期間室內(nèi)空氣的PM2.5和CO2濃度都超出了《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求的限值。另外人對室內(nèi)環(huán)境的舒適性評價結(jié)果也表明，無論是熱舒適性和還是空氣質(zhì)量，試驗建筑都優(yōu)于對比建筑。

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