甘南臧区太阳能主被动联合采暖系统性能

李金平，王 航，王兆福，黄娟娟，王春龙



甘南臧区太阳能主被动联合采暖系统性能

李金平，王 航，王兆福，黄娟娟，王春龙

（1. 兰州理工大学西部能源与环境研究中心，兰州 730050；2. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点试验室，兰州 730050；3. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，兰州 730050 4. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050）

中国藏区冬季太阳能仍然十分丰富，太阳能采暖潜力巨大。为了利用太阳能实现清洁供暖，以甘肃省合作市上浪坎木村2座含被动式阳光间建筑面积为170 m2的单体建筑为研究对象，其中一座使用被动式阳光间和太阳能集热器循环加热采暖，另一座使用被动式阳光间和牛粪直燃炉采暖，在相同的环境条件下对比研究了室内热环境、系统经济性和环境效益，研究结果表明：在48 d的测试期内，太阳能主被动联合采暖系统中客厅温度47 d高于14 ℃，只有1 d室内最低温度为13.3 ℃，太阳能主被动联合采暖系统很好地满足了建筑采暖需求，被动式阳光间和牛粪直燃炉联合采暖室内温度不均匀，温差大，客厅温度普遍低于12 ℃；太阳能主被动联合采暖系统比被动式阳光间和牛粪直燃炉联合采暖每个采暖季节省标煤4.3 t，可减少CO2、粉尘、SO2、NOx排放量依次为10.7，2.92，0.322和0.161 t，动态投资回收期4.9 a，证实了系统的可行性、节能性和经济性，可用于指导不同地区太阳能主被动结合供暖系统的优化设计和推广应用。

太阳能；采暖；温度；阳光间；热舒适性；热经济性

0 引 言

近年来由于全球环境的持续恶化，节能减排越来越受到世界各国的关注。随着中国新农村建设的推进和人民生活水平的提高，人们越来越注重舒适的室内生活环境，但随之而来的是农村建筑能耗的不断增加。据国家部门统计，中国目前建筑能耗已经占到社会总能耗的33%，可以折算成11亿t标准煤。太阳能以其资源丰富，无需开采和运输以及清洁性越来越成为人们青睐的可再生能源[1-3]。中国西北地区因其太阳能资源丰富，被动式太阳房得到了广泛的应用，但由于太阳能的不稳定性和不连续性引起太阳能的利用率较低从而导致采用被动式太阳能供暖房间热稳定性和热舒适性不高[4]。因此，高效合理地利用太阳能满足当地居民采暖用能和室内舒适度的要求，对提高居民生活质量和改善自然环境都具有重要的意义。

国内外学者在利用太阳能采暖方面都已做了大量的研究。国外学者Badescu等[5]通过对一栋2层的主被动结合的复合式被动式太阳房利用主动式太阳能热水供暖与热水供应2种方案的效果进行了研究，结果表明可实现整栋建筑50%～80%的热需求。并对系统建立数学模型最终得到该系统的太阳能保证率0.180～0.679。Rekstad等[6]通过试验对比研究了被动式采暖建筑的太阳能主动式供暖和空气-水源热泵供暖能耗情况，结果表明太阳能主动式供暖能耗比空气-水源热泵供暖低15%～20%。Liu等[7]研究了在同一座高原地区建筑的条件下，对比3种不同供暖方式的供暖热效果，结果表明主动式太阳能供暖的效果最好，其室内平均温度要比被动式供暖条件下的室内平均温度高出6 ℃。Li等[8]对比研究了太阳能主动式供暖与传统锅炉供暖室内温度和室内舒适度，得到在室外最低温度为−16.2 ℃时，太阳能供暖的室内平均温度和平均辐射温度分别高出对比建筑5.4和3.3 ℃。国内学者王武等[9]提出了一种主、被动结合的太阳能空气采暖模型，通过借助TRNSYS仿真平台得到在白天平均环境温度为3 ℃时，南北向的房间温度都可达到20 ℃。于涛[10]在北京地区构建一套主被动结合采暖系统，利用DeST软件分析了太阳房的影响因素、确定了太阳房的最佳运行方式、计算了太阳房采暖季的节能贡献率为38.9%。郑豪放[11]将太阳能空气集热墙被动采暖系统与太阳能炕主动采暖系统结合对青海一处民居进行研究，结果表明：空气集热器可将日间室内平均气温提高4～6 ℃，夜间炕表面温度大部分时间可维持在30 ℃以上，完全满足睡眠热舒适度的要求。陈明东等[12]通过对青岛地区附加阳光间型太阳房及相同结构的对比房室内温度及室外温度参数的监测，研究了寒冷季节室内温度随室外气象条件变化的情况。结果表明在室内无热源及辅助热源条件下，附加阳光间型太阳房室内平均空气温度比对比房室内平均空气温度高3.8 ℃，最高温差达7.2 ℃，最低温差1.1 ℃。杨婷婷等[13]对在石河子地区搭建一种浅层地热联合太阳能集热墙系统的被动式太阳房进行了供暖测试研究，得到在晴天时全天温度基本处于9.4～13 ℃，且白天有5 h室内温度超过12 ℃。

综上所述，现有的太阳能供暖技术普遍存在运行不稳定、室内温度低、以及成本高等问题。目前在实际工况下针对中国藏区农村建筑的太阳能主被动结合供暖研究还很少，为此，本文以甘肃省合作市藏族地区的一座农村单体建筑为研究对象，搭建了太阳能主被动结合供暖系统，散热末端采用低温地板辐射采暖系统，重点考察了太阳辐射强度、环境温度以及风速等参数对系统供能性能的影响规律，为太阳能主被动结合供暖在西北农村地区的推广应用提供技术参考。

1 试验对象与方法

1.1 试验对象

本文选取位于甘肃省甘南藏族自治州合作市上浪坎木村（N34°59¢，E103°4¢）的2座结构相似的单体建筑为研究对象。该地区海拔3 200 m，全年光照充足，热工分区属严寒地区，冷季长，暖季短，年均气温0.5~3.5 ℃，年最低气温可达−23 ℃，供暖期长达7个月。试验建筑在原有附加阳光间基础上搭建了主动式太阳能采暖系统，建筑结构如图1所示，对比建筑采用附加阳光间与牛粪炉联合采暖。两座建筑的附加阳光间均为单层玻璃，布置在南向和顶部，试验建筑面积170 m2，使用面积为136 m2（含被动式附加阳光间），采暖面积60 m2，建筑高2.8 m，附加阳光间面积41 m2，围护结构组成及面积见表1和表2，室内采用太阳能低温地板采暖，热水盘管分别布置在客厅、卧室地面及炕面。太阳能集热系统有7组全玻璃真空管太阳能集热器，集热面与地面夹角45°，正南放置，每组集热器由30支长1.8 m、直径0.058 m的全玻璃真空管组成，集热面积为20.2 m²，太阳能系统采暖图如图2 所示。

图1 试验建筑平面图

表1 建筑围护结构组成

表2 建筑围护结构面积及传热系数

1. 太阳能集热器 2、9. 阀门 3、4、5.供暖循环泵6、7、8. 地暖盘管 10. 涡轮流量计 T1、T2、T3.温度传感器

1.2 测试方案及仪器

根据GB 50785-2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》及GB/T 15405-2006《被动式太阳房技术与热性能测试方法》的要求测试，测试仪器参数如表3所示。

测试内容：室内外温湿度、室内外风速，太阳辐射强度等参数，具体测点位置：①客厅温度测点布置在客厅对角线上的三等分点处，且分别固定在地板表面和距地面0.1、0.6、1.1、1.7 m处。②太阳辐射仪布置于房顶与水平面夹角45°且没有物体遮挡处。③室外温度测点布置于室外通风处且应避免太阳直接照射。

表3 测量仪器及参数

测试时间为2018年3月20日至2018年5月8日，以上参数均采用Agilent 34970A数据采集仪自动采集和记录，扫描间隔为10 s。

1.3 计算方法

1.3.1 太阳能采暖系统

蓄热水箱能量平衡关系[14]

式中为储热水箱水的质量，kg；T为供暖水箱温度，℃。

1.3.2 建筑耗热量计算

根据《太阳能供热采暖工程技术规范》[15]计算冬季建筑耗热量，即

式中H，HT，INF，IN分别为某一天的建筑耗热量、建筑围护结构的耗热量、空气渗透耗热量、建筑物内部得热量，W。

建筑物内部得热量一般包括人体散热量、炊事和照明散热量，一般散热量不大且不稳定，故可忽略不计[17]。

1.3.3 附加阳光间式太阳房所需辅助热量

式中SHF为太阳能供暖率；NLC为太阳房净负荷系数，kJ/(℃·d)；DD14为采暖度日数，其数值为基础温度14 ℃和该日室外日平均气温的差值，其单位为℃·d。

2 结果与分析

2.1 采暖系统供暖稳定性分析

中国藏区冬季气候干燥寒冷，昼夜温差较大，雨雪天气较多。为分析该系统在严寒藏区的供能稳定性，对该建筑采暖热负荷进行计算，参考文献[15]，其值一般包括基本散热损失和冷风渗透损失[15]，取该试验建筑冬季采暖室内温度t=14℃[19]，当地冬季室外计算温度为 −3.4 ℃[20]。根据公式（7）计算得试验建筑单位面积供暖辅助热量aux=39.5 W/m2。如图3所示为全部测试期内连续48 d的单位面积太阳能主动式供暖日供热量和日平均辐照强度的变化情况。从图3中可以看出：主动式太阳能供暖供热量的最大值102.6 W/m2，平均值为57 W/m2，在全部测试期间内除连续3 d极端天气外，其余时间供热量都能满足需热量要求。

图3 太阳能主动式采暖系统供热量和平均太阳辐照强度

图4为全部测试期间内试验建筑与对比建筑客厅在不同温度范围内的时间相对总测试时间的占比情况，从图4中可以看出试验建筑客厅温度在试验期间几乎全部时间都高于14 ℃，占了总时间的95%，在连续3 d极端雨雪天气情况下由于建筑良好的蓄热特性可以减少建筑散热，使得室内温度只有1 d不能满足室内温度t=14 ℃的要求，最低温度达到13.3 ℃；而对比建筑在测试的大部分时间里温度都在低于12 ℃范围，占总时间的77.9%，高于14 ℃的仅占8.6%，由此表明：除在个别的连续极端天气外，在极大部分的时间里，主动式太阳能供暖可以很好的满足建筑供暖需求，说明该系统有较强的抗干扰性和较好供暖稳定性。

图4 室内温度时间占比

2.2 室内外温度对比分析

测试采用连续测试方法，测试时间为2018年3月20日至2018年5月8日。选取3月26、27日运行情况较好的数据，以客厅为代表房间对室内温度进行分析，试验组采用太阳能主动供暖，供暖时间为18:00至次日08:00，对照组采用牛粪炉供暖。图5是试验建筑和对比建筑室内温度与室外环境温度的变化曲线。

图5 室内与环境温度（2018-03-26—27）

由图5可知室外环境温度在−8.6～11.9 ℃的范围内波动，试验建筑客厅平均温度为16.3 ℃，比对比建筑高7.3 ℃，两座建筑室内最高温差达11.5 ℃，试验建筑室内最高温度为18.2 ℃，温度波动幅度为4.3 ℃；对比建筑室内最高温度为17.4 ℃，温度波动幅度为13.2 ℃。由此表明，试验建筑客厅温度达到了GBT50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》[20]规定的14 ℃的要求，对于附加阳光间式太阳房采用太阳能主动供暖比采用牛粪炉直燃供暖房室内温度波动性更小，温度变化更稳定，极大的改善了藏区民居冬季室内热环境。

2.3 室内竖直高度方向温度分析

图6所示为2018年3月30日两座建筑在竖直方向上不同高度处的温度分布情况。由图6可知，对于采用牛粪炉直燃采暖的对比建筑，竖直方向温度分布不均匀，分层现象明显，竖直方向温度最大温差为5.3 ℃；而对于采用地板辐射采暖的试验建筑，竖直方向温度分布较均匀，最大温差仅为1 ℃，空气对流较弱且温度从下至上逐渐降低，在供暖时地面温度有较明显的温升，给人一种脚暖头凉的舒适感。相比于传统牛粪炉直燃采暖，此种采暖方式室内舒适度更高。

图6 竖直高度温度分布(2018-03-30)

2.4 水暖炕温度分析

如图7所示，根据藏区农户的生活习惯，晚上休息时间通常为20:30左右，选择在2018年3月27日晚19:00至次日08:00的这段时间里对炕面温度、室内温度、室外环境温度变化曲线进行分析得出：在睡眠休息期间，室外环境温度在−8.6～1.7 ℃范围变化，水暖炕的炕面平均温度22.3～34.7 ℃范围内波动，在22:00时到达最大值，为34.7 ℃。所以当居民在睡眠时人体所处的睡眠环境在夜间睡眠舒适温度29～34 ℃的范围之间[21]，因此，水暖炕在夜间为室内供暖的同时也可以很好地保障人的睡眠热舒适度。另外，该水暖炕是在原有火炕的基础上改造的，若在炕面下铺设蓄热材料可以使炕有更好的蓄热性能，温度变化幅度更小。睡眠热舒适度会得到进一步 提高。

2.5 太阳能主被动联合供暖系统节能环保效益分析

图7 室内温度、室外环境温度、炕面温度变化（2018-03-27）

根据资料按1 kg煤炭燃烧产生CO2为2.49 kg、粉尘为0.68 kg、SO2为0.075 kg、NOx为0.0375 kg计算[24]，每户每个采暖季可少排放CO2、粉尘、SO2、NOx依次分别为10.7，2.92，0.322，0.161 t，节能减排效益非常显著。

2.6 供暖系统经济性分析

该系统是在原有被动式太阳房基础上进行改造：增加了7组太阳能集热器，并在地面铺设了地暖。7组太阳能集热器价格为13 650元，地暖铺设费用为50元/m2，再加上连接管道和阀门等配件，整个系统总投资为17 875元，假设系统运行期间每年现金流量相等，净现值NPV计算公式为

式中CI、CO为第年的现金流入、流出；为基准折现率，取5.5%。

动态投资回收期P，指收回成本所需年数，按下式计算。

式中为累计效益净现值出现正值的年份；为第-1年累计效益净现值的绝对值；为第年累计效益净现值。

系统每年效益为4 300元，系统安装后每年除日常维护外不需要其他额外投入，故第2年后成本可计为0元，各参数取值如表4所示，假设系统的使用寿命为15 a，通过计算得该系统的净现值>0，动态投资回收期为4.9 a，证明了该系统在经济性方面是可行的，收益是可观的。

表4 太阳能采暖系统经济性分析计算表

3 结 论

结合甘南藏区民居特点，通过在原有附加阳光间太阳房基础上对其进行主动式太阳能供暖改造，并与对照组进行对比试验研究，测试结果显示系统运行良好，并可以得出以下结论：

1）在48 d的测试期间内，试验建筑温度基本都高于14 ℃，占总测试时间的95%，系统的供热量除在个别极端天气外，都可以很好满足建筑的供暖需求，表明系统的供能稳定性较好，抗干扰能力较强。

2）当室外环境最低温度为–8.6 ℃时，附加阳光间与主动式太阳能结合供暖建筑室内客厅平均温度为16.3 ℃，比对比建筑高7.3 ℃，两座建筑室内最高温差达11.5 ℃， 且温度波动较小，竖直高度分布均匀，室内热舒适性好，使藏区建筑室内的热环境和居民生活品质都有了极大 改善。

3）改造后的建筑完全可以通过太阳能主动式供暖使室内温度到达14 ℃，且水暖炕温度可以在夜间睡眠时维持在22.3～34.7 ℃，该温度范围属于人体睡眠舒适温度，提高了人们睡眠时的热舒适度。

4）改造后的建筑每个采暖季可以节省标煤4.3 t，可少排放CO2为10.7 t、粉尘为2.92 t、SO2为0.322 t、NOx为0.161 t，系统的动态投资回收期为4.9 a，节能减排和经济性效益明显，该系统的推广使用对改善藏区环境有着重要的意义。

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Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong

(1.730050,;2.730050,;3.730050,;4.730050,)

The traditional heating methods in winter, in Tibetan areas in China are relatively backward, and the indoor living environment is poor. Owing to the abundant solar energy in the Tibetan areas of China, the potential of solar heating is huge. In order to use solar energy to achieve the clean heating, two single buildings with a passive sunlight area of 170 m2in Shanglangkanmu, a village of Hezuo in Gansu Province, were studied, as research objects, one of which used passive sunspace and cow dung direct-fired furnace for heating, and the other used passive sunspace and solar collectors for heating. The solar collector system has 7 sets of all-glass vacuum tube solar collectors. The collector surface was placed at an angle of 45° to the ground. It was positioned in the south, and the amount of collectors of each group was 30. All-glass vacuum tube was 1.8 m of length, 0.058 m of diameter, and 20.2 m2ofheat collection area. Under the same environmental conditions, the theoretical and experimental methods were used to compare the indoor thermal environment, systemic economic and environmental benefits. The test time was from March 20thto May 8th, 2018. The indoor and outdoor temperature, indoor and outdoor wind speed, solar radiation intensity and other parameters were investigated. The data were automatically recorded by computer. The research results show that in the 48 d test period, the days of living temperature higher than 14 ℃in experimental building with the solar energy active and passive combined heating system is 47 d, indoor minimum temperature of 13.3 ℃ is for only 1 day, the heat supply of the system in addition to individual extreme weather, can satisfy the heating needs of the building well, indicating that the system's energy supply stability is well, anti-interference ability is strong. When the outdoor environment minimum temperature is-8.6 ℃, the average indoor temperature of experimental building with combined sunspace and active solar heating system is 16.3 ℃, which is 7.3 ℃higher than that of the contrast building, between the two buildings the highest temperature difference is 11.5 ℃, and the temperature fluctuation of the experimental building is small. The temperature in vertical height is evenly distributed, the indoor thermal comfort is well, the temperature of experimental building can completely reach the indoor temperature by 14 ℃through the solar active heating, and the temperature of kang can be maintained at 22.3-34.7 ℃during night sleep time, it belongs to the human body sleep comfort temperature which improves the comfort of people during sleep. The solar energy active and passive combined heating system satisfies the heating demand of the building well. The temperature in contrast building with the passive sunspace and the cow dung direct combustion furnace is nonuniform, the difference of temperature is distinguished, the living room temperature is generally lower than 12 ℃. Compared with the contrast building, the experimental building with solar energy active and passive combined heating system can reduce 4.3 t standard coal in the heating season, which can reduce the CO2,dust, SO2, and NOxemissions by 10.7, 2.92, 0.322 and 0.161 t, respectively. The dynamic investment payback period is 4.9 a. It proves the feasibility, energy saving and economy of the system, and can be utilized to guide the optimal design and popularization of solar energy active and passive combined heating systems in different regions.

solar energy; heating; temperature; sunspace; thermal comfort; thermal economy

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001

TU832.1+2；S210.43

A

1002-6819(2018)-21-0001-07

2018-06-12

2018-08-31

国家重点研发计划课题（2018YFB0905104）；国家自然科学基金项目（51676094）；甘肃省国际科技合作专项（1604WKCA009）；兰州市人才创新创业项目（2017-RC-34）

李金平，教授，博士，博士生导师，主要从事先进可再生能源系统方面的研究。Email：lijinping77@163.com

李金平，王 航，王兆福，黄娟娟，王春龙.甘南臧区太阳能主被动联合采暖系统性能[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：1－7. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org

Li Jinping, Wang Hang, Wang Zhaofu, Huang Juanjuan, Wang Chunlong.Performance of solar active-passive combined heating system in Tibetan areas of southern Gansu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 1－7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.001 http://www.tcsae.org