民用建筑主動式太陽能采暖技術研究

季海蓉

(青海建筑職業技術學院，青海 西寧 810012)

西寧市位于青藏高原，市區海拔2 261 m，年平均氣溫6.1 ℃，因此當地居民需要采取一定的供暖措施來維持正常的生活。當地政府為滿足居民用暖需求，對民用建筑進行改建。民用建筑一般是指非生產性的居住建筑和公共建筑，由若干個大小不同的室內空間組合而成。在民用建筑內建立相應的取暖系統，使得建筑物內獲得適當的溫度。西寧地區大部分的民用建筑選擇的采暖方式為暖氣片或地暖采暖，但上述采暖方式不僅要消耗大量的水作為供暖介質，同時也會消耗大量的不可再生能源。

為了節省對不可再生能源的消耗，實現當地資源的可持續發展，提出太陽能采暖方式。太陽能采暖方式主要以輻射方式傳播，通過太陽能集熱器、儲熱水箱、循環管道等多個設備和附件，使得太陽能得到合理利用。太陽能采暖系統包括主動式采暖和被動式采暖兩種，其中主動式采暖主要是利用太陽能集熱器與載熱介質經蓄存設備向室內供熱。利用主動式采暖可以保證建筑內的受熱，比被動式采暖方法的受熱更加均勻[1]。因此本文以青海西寧地區民用建筑內的采暖系統為研究背景，針對主動式太陽能采暖技術中集熱、蓄熱、能量轉換與保溫以及循環控制四個方面進行系統設計，其創新之處在于利用室內空氣的內能變化進行平衡采暖；在硬件設備上按照能量轉換形式和規律，調用蓄存的能量，通過輔助加熱系統來補充能量的不足，為主動式補充；提出主動式采暖的應用范圍和條件限定，詳細地對比分析了主動式采暖技術的實際效用，該技術的應用可在滿足居民供暖需求的同時最大程度的減少能源消耗。

1 民用建筑采暖的熱力學數學模型

1.1 民用建筑主動式太陽能采暖原理

考慮到建筑所處環境會隨季節與天氣等因素變化而改變，為了保證民用建筑室內環境實時處于舒適范圍內[2-3]，對室內舒適溫度進行設定。在設計建筑的太陽能采暖技術之前，首先需要確定采暖與人體理想供暖需求之間的關系[4]，并以此作為技術開發的基礎。文獻4研究得到的主動式太陽能采暖與人體所需的理想供暖需求的關系曲線如圖1所示。

圖1 主動式太陽能采暖曲線與人體理想供暖曲線

由此可以將民用建筑的主動式太陽能采暖技術的設計分為四個部分，分別為集熱、蓄熱、能量轉換與保溫以及循環控制。通過多個步驟使主動式太陽能采暖技術可以滿足當地居民的用暖需求。

1.2 室內空氣熱平衡模型

對建筑內換熱過程的分析如下。進入室內空氣的熱量包括：通過圍護結構內表面傳入室內的熱量、室內熱源向空氣輸送的熱量、太陽透窗輻射直接被空氣吸收的部分、室外空氣滲透所傳遞的熱量、供暖設備的供熱量，各熱量之和等于室內空氣的內能變化率[5]。民用建筑室內空氣的熱平衡模型表示如下：

(1)

式中：V為民用建筑室內的空氣體積,m3；cp為室內空氣的單位熱容值，J/K。另外變量Qc(n)、Qa(n)、Qf(n)和Qr(n)分別為n時刻室內建筑結構表面與室內空氣的對流換熱量、傳給室內空氣的對流換熱量、空氣滲透傳遞熱量以及透過窗的太陽輻射熱量，單位均為J[6]。上述變量的具體計算公式如式(2)所示：

(2)

式中各個參數變量的釋義如表1所示。

表1 室內空氣熱平衡模型變量取值釋義

將相關參數代入到式(2)中，并與式(1)聯立，便可以得出實時室內空氣熱平衡模型的具體情況。

1.3 墻壁傳熱熱量的計算

圖2是民用建筑結構熱傳導的過程示意圖。

圖2 建筑結構傳熱示意圖

從圖2中可以看出，墻體外表面的傳熱主要包括與室外空氣的對流換熱、吸收太陽輻射、向壁體內部傳熱、與室外環境表面的長波輻射四個部分[7]。可以將建筑墻體傳熱的微分方程表示為

(3)

式中：α為不同建筑結構的熱擴散系數，m2/s，取值為常數；而τ對應的是建筑結構的厚度，m。

2 民用建筑主動式太陽能采暖硬件設備

用于民用建筑主動太陽能采暖技術的硬件設備包括太陽能集成設備、蓄能設備、能量轉換設備、強制循環控制設備等。圖3是采暖技術對應設備的安裝結構圖。

圖3 太陽能采暖設備安裝結構圖

2.1 集熱器

集熱器的類型包括全玻璃真空管集熱器、平板集熱器、U形管和熱管式真空管集熱器等。根據當地氣候與采暖方式選擇適合的集熱器設備，并將其安裝在民用建筑表面[8]。分別計算集熱器安裝的最佳傾斜角度和陣列間距，以保證集熱效率的最大化。按照圖4所示的流程計算建筑面積所需的集熱器面積。

圖4 集熱面積計算流程圖

根據民用建筑的集熱面積計算結果，可以確定集熱器的安裝數量。

2.2 蓄熱器

蓄熱器的應用可以在太陽能充足的情況下，將多余的太陽能存儲起來，方便在缺少太陽能時對相關能量的調取。經過對比發現顯熱存儲具有向集熱器及蓄熱水箱之間運送時消耗的功率最少和流動性能和傳熱特性容易測量的優點，因此將該蓄熱方式作為建筑采暖的蓄熱方式[9]。對應的蓄熱器安裝環境示意圖如圖5所示。

圖5 蓄熱體設置環境示意圖

定義太陽能集熱器的有效集熱為Qu，單位為J，建筑熱負荷為Ql，單位為J。白天由于被動太陽輻射緣故，房間負荷較小，因此呈現出供應大于需求的狀態，蓄熱器可以將多余的熱量存儲起來[10]。當夜間需求大于供應時，調用蓄存的能量，并通過輔助加熱系統來補充Qu

Qu(τ)+Qb(τ)=Ql(τ)+Qs(τ)+Qe(τ)

(4)

式中：Qb為輔助加熱量，Qs和Qe分別為蓄熱器的蓄熱量以及系統損失熱量[11]，J。

根據民用建筑主動式太陽能采暖的應用規范，可以推測出青海西寧地區冬季安裝集熱器的最佳傾斜角度為46°[12]。在水平面上的太陽輻射已知時，民用建筑的太陽輻射值的計算公式如下：

(5)

式中：HTH、Hbh、Hh、和Hdh分別對應的是傾斜面上的總輻射平均值、水平面上的直接輻射平均值、水平面上的總輻射值和水平面上的散射輻射平均值，J/m2；β為傾斜面與水平面的夾角；Rbh為傾斜面與水平面直接輻射的比值；ρ為地表的平均反射率，%[13]。將變量的具體取值代入到式(5)中便可以確定累計太陽輻照量。接著估算建筑供熱負荷，綜合兩個變量的計算結果，便可以得出建筑主動式太陽能得熱量的具體取值結果。

2.3 民用建筑主動式太陽能采暖限定條件

采暖時間主要界定在冬季的太陽能熱利用范圍內，考慮最冷月的狀況過于極端，而各地的采暖天數也由當地行政或主管部門的規定執行[14]。正常情況下青海西寧地區的采暖期從10月15日至4月15日，共180天。

在界定的采暖時間內，利用安裝的相關設備實現對太陽能的主動采集和蓄存。而在實際的采暖能量應用的過程中[15]，需要采用強制循環控制方法實現對民用建筑的穩定供暖。利用強制循環控制技術，并有效地控制采暖熱量的輸配，以保證各個環節之間的良好銜接及采暖效果的穩定持續。

3 實驗分析

3.1 實驗對象與實驗環境

對青海西寧2018—2019年不同地區的室外氣象條件與現有建筑的室內環境進行現場測試。在青海西寧地區不同區域劃分位置上選擇適宜的民用住宅作為研究對象。

該院落接近正方形，院落的北部位置修建一幢民用房屋。民用建筑在南墻上大面積開窗作為太陽房，同時房屋為套間式組合，南向只有兩個對外門。在實驗過程中減少外門的開放次數，減少房屋的熱量散失，從而保證降低客觀因素對實驗結果產生的影響。此次采暖工況實驗測試的指標主要包括：采暖房屋室內的溫度變化規律，不同采暖方式對應的能量消耗情況。因此需要在實驗環境內安裝溫度測試設備以及能量監控設備，相應的測試儀器以太陽能采暖監控平臺為介質，實現實驗結果的可視化。太陽能采暖工況實驗中應用的監控平臺主界面如圖6所示。

圖6 太陽能采暖實驗監控平臺

3.2 實驗指標

此次實驗還需設置煤炭型采暖技術，該煤炭型采暖技術通過燃燒煤炭，以鍋爐房提供的熱水作為熱源，鍋爐房總裝機容量為4.2 MW，供熱負荷為7.24 MW，提供熱源規格為85/60 ℃熱水。

3.3 實驗結果與分析

在三種不同的采暖方式下，通過分析民用建筑內的溫度變化規律，得出實驗結果，驗證民用建筑主動式太陽能采暖技術的可行性。

圖7是應用不同的采暖方式，實驗研究對象室內溫度的變化情況。如圖7所示，煤炭型采暖技術無法維持溫度平衡，隨著室外溫度的變化，室內溫度也在實時發生變化，統計數據表明該采暖技術的室內溫度波動為12 ℃。被動式太陽能采暖技術相比煤炭型采暖技術有效維持了溫度的穩定變化，室內溫度受外界環境溫度影響的程度較低，在這種采暖技術的控制下室內溫度的最大溫差為9 ℃。然而從主動式太陽能采暖技術對應的曲線中可以看出，在一段時間內室內溫度穩步上升，當到達25 ℃時，主動式采暖技術的室內溫度較為穩定，另外通過節能性能估算，相比煤炭型采暖技術與被動式采暖技術，主動式太陽能采暖技術的節能率最高達34.3%。

圖7 室內溫度變化情況

4 結 論

本文通過分析青海西寧地區民用建筑主動式太陽能采暖，構建室內空氣熱平衡模型和傳熱模型，實現室內空氣的內能變化率的變換；優化民用建筑主動式太陽能采暖硬件設備的設置參數，結合主動式太陽能采暖工作條件，實現青海西寧地區民用建筑主動式太陽能采暖技術研究。實驗結論表明，設計的民用建筑主動式太陽能采暖技術可以有效地為居民供暖，節省了供暖能量消耗，具有較高的應用價值。在未來的相關研究中，應加強主動式采暖技術的細化，使其滿足大部分地區的實際需求。