宁夏中卫地区被动式太阳能民居测试研究

桑国臣,陈得勇,韩艳,朱轶韵,赵钦

(西安理工大学 土木建筑工程学院, 陕西 西安 710048)

宁夏中卫地区被动式太阳能民居测试研究

桑国臣,陈得勇,韩艳,朱轶韵,赵钦

(西安理工大学 土木建筑工程学院, 陕西 西安 710048)

我国西北地区生态环境脆弱、城镇化水平较低、气候条件严酷,乡村民居冬季室内热环境改善与采暖用能及生态环境保护间的矛盾日益突出。宁夏中卫地区地处西北腹地,位于地处宁、甘、蒙三省区交汇地带,其气候特征及民居特点具有显著的代表性。为探索利用太阳能解决乡村民居冬季采暖问题,本文对宁夏中卫地区某一被动式太阳能采暖民居进行了冬季室内外热环境参数的测试,并采用操作温度对室内热环境进行了分析与评价。结果表明,当地太阳能资源丰富,适于发展被动式太阳能建筑,并且乡村建筑通过直接受益窗以及温度过渡区的合理设置,能有效提高主要房间的热环境质量。但现有乡村建筑的冬季室内热环境质量并不理想,室内温度偏低、波动较大,需要加强建筑的集热与蓄热设计。

宁夏中卫地区; 太阳能建筑; 操作温度; 室内热环境

我国西北地区干旱少雨、生态环境脆弱,冬季寒冷且漫长。长期以来,受地域条件制约,西北地区经济欠发达,城镇化水平较低,农村人口所占比重较大。广大西北农村的采暖方式比较落后,主要采用土炕、土制采暖炉、煤炉等简易采暖设施,采暖燃料以煤炭、木材、秸秆、麦草为主,偏远地区的农户甚至依靠铲草皮、挖树根等方式解决冬季采暖的燃料问题。但随着社会经济的发展,乡村民居冬季室内热环境改善与采暖用能及生态环境保护间的矛盾日益突出。西北地区太阳能资源较为丰富,具有发展太阳能建筑的优越条件[1],利用太阳能解决西北农村居民的采暖问题,是适应国家能源结构政策要求,及促进乡村民居与生态环境可持续发展的有利手段[2]。

宁夏自治区中卫市位于西北腹地,处于宁、甘、蒙三省区交汇地带,其气候特征与民居形式均具有西北地区的代表性[3]。该地区现有乡村民居已经具备了太阳能热利用初步理想和简易方式,但这些技术手段主要源自工匠的经验传承,缺少科学设计,因此乡村民居热工性能及太阳能热利用效率不甚理想。本文对中卫地区一栋被动式太阳能采暖的乡村民居进行室内外热环境实地测试,探究该地区乡村民居冬季室内热环境现状,并对室内热环境影响因素进行分析,以期对西的北地区被动式太阳采暖乡村建筑性能改善提供参考。

1 测试对象

被测试建筑位于宁夏中卫市黑林村,为一栋砖混结构建筑,室内空间主要由堂屋、杂物间和仓房构成,建筑层高3.0 m,各房间进深均为5.4 m。堂屋开间8.1 m,南外墙上设置两个2.2 m×1.8 m单层铝合金外窗,无北窗;东侧杂物间开间4.2 m,南外墙上设置一个2.0 m×1.8 m单层铝合金外窗,无北窗;仓房的南向外墙设两个2.2 m×1.8 m单层铝合金外窗,北向外墙设置两个0.6 m×0.6 m单层铝合金窗。图1为测试建筑南立面图。

居民冬季起居活动主要集中在堂屋,因此仅有堂屋采用了灶连炕式传统采暖设施,其余房间均无采暖设施。各房间(杂物间、堂屋、仓房)南向开窗率分别为0.26、0.33、0.26。所有房间的外门均为单层铝合金门,冬季外设厚布门帘。

外墙均为370 mm实心粘土砖墙体,外贴10 mm厚白色瓷砖。室内隔墙采用240 mm实心粘土砖砌体。屋顶为双坡屋顶,其中仅有堂屋顶棚采用5 mm石膏板吊顶。

2 测试方案

测试时间为2015年1月18日10:00～1月19日10:00,测试期间天气晴朗。测试内容包括,各房间室内空气温湿度、内壁面温度、室内风速、室外空气温湿度、太阳总辐射强度和散射强度等。

空气温湿度测试采用175-H1型自记式高精度温湿度计,测量精度0.2 ℃。室内温湿度测点距地面高度为0.9 m,与墙体距离大于1.0 m。内壁面温度测试,采用JTNT-C型围护结构传热系数现场检测仪,测量精度0.5 ℃。内壁面温度测点,位于被测墙面的中间位置。室内空气温湿度及壁面温度测点布置,见图2。室内风速测试,采用ZRQF-30型热球风速仪测试,最小分辨率为0.01 m/s。太阳辐射强度测量采用国产JTDL-4型太阳辐射仪,太阳辐射仪水平设置于室外空旷处,周围空间无遮挡物。测试期间居民起居生活正常,室内无电器使用。室内风速采集时间间隔为1 h,其余室内外参数采集间隔均为10 min。

3 测试结果与分析

3.1 室外热环境测试

测试期间的室外空气温度和太阳辐射强度日变化情况,分别见图3、图4。从图3可见,室外空气平均温度为-2.74 ℃,与当地采暖期室外平均温度-2.1 ℃相差不大[3],最低温度为-7.6 ℃,最高温度2.5 ℃,分别出现在上午8:30和下午5:00左右,温度波动幅度约10 ℃。由测试结果可知,该地区冬季寒冷,日温差较大。

由图4可见,太阳辐射强度峰值出现在13:00时,总辐射强度为544.8 W/m2,散射辐射强度为124.9 W/m2。测试期间的平均太阳辐射强度为286 W/m2,且太阳直射辐射强度较大,约占总辐射强度的80%。测试数据表明,中卫地区的太阳辐射强度较高,且以直射辐射为主。

3.2 室内热环境测试

各房间空气温度与壁面温度的测试结果,见图5和图6。

由图5可见,杂物间和仓房的室内平均温度均约为3.6 ℃,温度波动幅度为7.0 ℃。堂屋室内平均温度为9.5 ℃,温度波动幅度为8.6 ℃。从各房间室内温度逐时变化情况可见,室内温度总体偏低,但堂屋室内温度略高,堂屋与位于其两侧的仓房和杂物间温度波动趋势基本一致。由此可知,各房间的室内得热均主要源自于南窗的被动式集热,室内温度受室外空气温度波动及太阳辐射强度变化的影响较为显著。此外,测试结果表明,堂屋室内平均温度较其它房间高约6 ℃,温度波动也略高于其它房间。其主要原因在于,堂屋处于建筑的中间位置,位于两侧的仓房与杂物间构成了堂屋的“温度过渡区”,有效减少了堂屋的传热损失。其次,堂屋内的间歇性采暖,对提高室内温度起到了辅助作用,但由于堂屋的窗墙比较大,造成夜间失热量增大,从而导致温度波动增大。

图6为堂屋各壁面逐时温度变化曲线,由图可见,各壁面温度变化趋势基本相同,但壁面温度存在差异。堂屋东、南、西墙内壁面平均温度和顶棚内表面平均温度均约为9 ℃,而北向外墙内壁面平均温度较低,仅为7.7 ℃。北外墙内壁面温度低,是由于北向无太阳直射热作用造成北墙室外空气综合温度最低,墙体失热量最大。堂屋的东西墙,在整体建筑中属于内隔墙,其内壁面温度与南向外墙的相当,由此可知,位于堂屋两侧的“温度过渡区”有效提高了堂屋东西两侧的壁面温度,减少了东西向的墙体传热损失。堂屋室内各壁面温度波动均在5.0 ℃左右,顶棚内表面温度波动较大,达到7.1 ℃,与室内空气温度波动幅度接近(8.6 ℃)。不同部位围护结构的蓄热能力差异,是造成内表面温度波动幅度差异的主要原因。建筑的外墙和室内隔墙均为厚重的实心粘土砖砌体,其蓄热能力远大于顶棚的石膏板,因此顶棚内表面温度波动明显增大。

3.3 室内热环境分析

(1)

式中:tS、tE、tW、tN、tR分别为堂屋南墙、东墙、西墙、北墙及顶棚的内表面温度(℃);SS、SE、SW、SN、SR分别为南墙、东墙、西墙、北墙及顶棚的内表面面积(m2)。

根据测得的堂屋各内壁面逐时温度及各壁面面积,求出堂屋室内平均辐射温度逐时值,并将其与室内空气温度逐时值共同绘于图7中。

从图7可以看出,室内空气温度和平均辐射温度的波动,在峰值与相位上均有明显差异。对于被动式太阳能建筑,室内热环境受室内空气温度和辐射温度的综合影响,因此采用操作温度评价该类建筑的室内热环境,能够更为准确地反映出平均辐射温度与空气温度共同作用效果[7],其计算如式(2)所示。

(2)

(3)

根据测试结果,由式(3)计算得出堂屋操作温度值,将操作温度逐时值和室内空气温度与平均辐射温度进行对比,见图8。操作温度的平均值与波动幅度介于空气温度与平均辐射温度之间,其平均值为9.1 ℃,波动幅度为6.0 ℃。

从操作温度的分析结果可以看出,当地乡村建筑的冬季室内热环境并不理想。由于操作温度取决于室内空气温度与辐射温度,因此需要加强乡村建筑的集热设计并提升建筑墙体的保温蓄热能力,才能有效改善乡村建筑的冬季室内热环境质量。

4 结 论

1) 宁夏中卫地区冬季寒冷,但太阳能资源丰富,具有发展被动式太阳能建筑的资源优势。当地乡村建筑具备了初步利用太阳能采暖的技术,通过直接受益窗以及温度过渡区的设置,有效提高了堂屋室内温度。

2) 太阳能采暖建筑的室内空气温度与辐射温度之间,存在显著的相位差异和峰值差异,室内热环境受两种温度的综合影响。

3) 现有乡村建筑冬季室内热环境并不理想,主要表现为温度偏低且波动偏大(测试期间操作温度日平均值为9.1 ℃,波动幅度为6.0 ℃),因此需要加强建筑的集热与蓄热设计。

[1]周扬, 吴文祥, 胡莹, 等. 西北地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估 [J]. 自然资源学报, 2010, 25(10): 1738-1749.

Zhou Yang, Wu Wenxiang, Hu Ying, et al. The temporal-spatial distribution and evaluation of potential solar energy resources in Northwest China [J]. Journal of Natural Resources, 2010, 25(10): 1738-1749.

[2]高新宇, 范伯元, 张红光. 太阳能采暖系统在新农村建设中的应用研究 [J]. 太阳能学报, 2009, 30(12): 1653-1657. Gao Xinyu, Fan Boyuan, Zhang Hongguang. Study on application of solar heating system in new countryside construction [J]. Acta Energies Solaris Sinica, 2009, 30(12): 1653-1657.

[3]张晴原, 杨洪兴. 建筑用标准气象数据手册 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[4]刘加平. 建筑物理 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.

[5]李元哲. 被动式太阳能房热工设计手册 [M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1989.

[6]王昭俊, 廉乐明. 住宅室内热环境中影响人体热感觉特征选择 [J]. 哈尔滨工业大学学报: 自然科学版, 2004, 36(8): 1011-1013. Wang Zhaojun, Lian Leming. Selection on characteristic of thermal sensation for occupants [J]. Journal of Harbin Institute of Technology (Natural Science), 2004, 36(8): 1011-1013.

[7]杨柳, 杨茜, 闫海燕, 等. 陕西关中农村冬季住宅室内热舒适调查研究 [J]. 西安建筑科技大学学报: 自然科学版, 2011, 43(4): 551-556. Yang Liu, Yang Qian, Yan Haiyan, et al. Field study on thermal comfort of rural houses in a the Guanzhong region, Shaanxi Province [J]. Journal of Xi’an University of Architecture and Technology(Natural Science Edition), 2011, 43(4): 551-556.

(责任编辑 杨小丽)

Measuring study of passive solar house for dwelling building in Ningxia Zhongwei Area

SANG Guochen,CHEN Deyong,HAN Yan,ZHU Yiyun,ZHAO Qin

(Faculty of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In northwest China where there are the fragile ecological environment, the low urbanization level and harsh climate condition, the contradictions between ecological environment protection and the improvement of indoor thermal environment are becoming more and more serious in rural areas. Zhongwei region in Ningxia is located in the hinterland of northwest and it is located in the Ningxia autonomous region, Gansu province and Inner Mongolia autonomous region convergence zone, where climatic features and residential characteristics are of northwest rural representativeness. In order to probe into and solve the problems of rural residential heating by using solar energy in winter, the indoor and outdoor thermal environmental parameters of a passive solar heating house are tested and indoor thermal environment is analyzed and evaluated using the operating temperature in this paper. Results show that the local rich solar energy resources are suitable for the development of passive solar houses and through the rural architecture with the sunlight directly and the transition temperature region reasonable setting can effectively improve the thermal environment quality in the main rooms of existing rural house. But the quality of the indoor thermal environment in winter of existing rural buildings is not ideal. With low indoor temperature and large temperature fluctuations, so that it is necessary to strengthen the heat collection and heat storage design of architectures.

Ningxia Zhongwei Area; passive solar building; operating temperature; indoor thermal environment

1006-4710(2015)03-0273-04

2015-04-03

国家自然科学基金资助项目(51278419、51178369);陕西省教育厅专项科研计划资助项目(2013JK0945)。

桑国臣,男,博士,副教授.研究方向为建筑节能与节能材料。E-mail:sangguochen@xaut.edu.cn。

TU241.4

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