民用建筑主动式太阳能采暖技术研究

季海蓉

(青海建筑职业技术学院，青海 西宁 810012)

西宁市位于青藏高原，市区海拔2 261 m，年平均气温6.1 ℃，因此当地居民需要采取一定的供暖措施来维持正常的生活。当地政府为满足居民用暖需求，对民用建筑进行改建。民用建筑一般是指非生产性的居住建筑和公共建筑，由若干个大小不同的室内空间组合而成。在民用建筑内建立相应的取暖系统，使得建筑物内获得适当的温度。西宁地区大部分的民用建筑选择的采暖方式为暖气片或地暖采暖，但上述采暖方式不仅要消耗大量的水作为供暖介质，同时也会消耗大量的不可再生能源。

为了节省对不可再生能源的消耗，实现当地资源的可持续发展，提出太阳能采暖方式。太阳能采暖方式主要以辐射方式传播，通过太阳能集热器、储热水箱、循环管道等多个设备和附件，使得太阳能得到合理利用。太阳能采暖系统包括主动式采暖和被动式采暖两种，其中主动式采暖主要是利用太阳能集热器与载热介质经蓄存设备向室内供热。利用主动式采暖可以保证建筑内的受热，比被动式采暖方法的受热更加均匀[1]。因此本文以青海西宁地区民用建筑内的采暖系统为研究背景，针对主动式太阳能采暖技术中集热、蓄热、能量转换与保温以及循环控制四个方面进行系统设计，其创新之处在于利用室内空气的内能变化进行平衡采暖；在硬件设备上按照能量转换形式和规律，调用蓄存的能量，通过辅助加热系统来补充能量的不足，为主动式补充；提出主动式采暖的应用范围和条件限定，详细地对比分析了主动式采暖技术的实际效用，该技术的应用可在满足居民供暖需求的同时最大程度的减少能源消耗。

1 民用建筑采暖的热力学数学模型

1.1 民用建筑主动式太阳能采暖原理

考虑到建筑所处环境会随季节与天气等因素变化而改变，为了保证民用建筑室内环境实时处于舒适范围内[2-3]，对室内舒适温度进行设定。在设计建筑的太阳能采暖技术之前，首先需要确定采暖与人体理想供暖需求之间的关系[4]，并以此作为技术开发的基础。文献4研究得到的主动式太阳能采暖与人体所需的理想供暖需求的关系曲线如图1所示。

图1 主动式太阳能采暖曲线与人体理想供暖曲线

由此可以将民用建筑的主动式太阳能采暖技术的设计分为四个部分，分别为集热、蓄热、能量转换与保温以及循环控制。通过多个步骤使主动式太阳能采暖技术可以满足当地居民的用暖需求。

1.2 室内空气热平衡模型

对建筑内换热过程的分析如下。进入室内空气的热量包括：通过围护结构内表面传入室内的热量、室内热源向空气输送的热量、太阳透窗辐射直接被空气吸收的部分、室外空气渗透所传递的热量、供暖设备的供热量，各热量之和等于室内空气的内能变化率[5]。民用建筑室内空气的热平衡模型表示如下：

(1)

式中：V为民用建筑室内的空气体积,m3；cp为室内空气的单位热容值，J/K。另外变量Qc(n)、Qa(n)、Qf(n)和Qr(n)分别为n时刻室内建筑结构表面与室内空气的对流换热量、传给室内空气的对流换热量、空气渗透传递热量以及透过窗的太阳辐射热量，单位均为J[6]。上述变量的具体计算公式如式(2)所示：

(2)

式中各个参数变量的释义如表1所示。

表1 室内空气热平衡模型变量取值释义

将相关参数代入到式(2)中，并与式(1)联立，便可以得出实时室内空气热平衡模型的具体情况。

1.3 墙壁传热热量的计算

图2是民用建筑结构热传导的过程示意图。

图2 建筑结构传热示意图

从图2中可以看出，墙体外表面的传热主要包括与室外空气的对流换热、吸收太阳辐射、向壁体内部传热、与室外环境表面的长波辐射四个部分[7]。可以将建筑墙体传热的微分方程表示为

(3)

式中：α为不同建筑结构的热扩散系数，m2/s，取值为常数；而τ对应的是建筑结构的厚度，m。

2 民用建筑主动式太阳能采暖硬件设备

用于民用建筑主动太阳能采暖技术的硬件设备包括太阳能集成设备、蓄能设备、能量转换设备、强制循环控制设备等。图3是采暖技术对应设备的安装结构图。

图3 太阳能采暖设备安装结构图

2.1 集热器

集热器的类型包括全玻璃真空管集热器、平板集热器、U形管和热管式真空管集热器等。根据当地气候与采暖方式选择适合的集热器设备，并将其安装在民用建筑表面[8]。分别计算集热器安装的最佳倾斜角度和阵列间距，以保证集热效率的最大化。按照图4所示的流程计算建筑面积所需的集热器面积。

图4 集热面积计算流程图

根据民用建筑的集热面积计算结果，可以确定集热器的安装数量。

2.2 蓄热器

蓄热器的应用可以在太阳能充足的情况下，将多余的太阳能存储起来，方便在缺少太阳能时对相关能量的调取。经过对比发现显热存储具有向集热器及蓄热水箱之间运送时消耗的功率最少和流动性能和传热特性容易测量的优点，因此将该蓄热方式作为建筑采暖的蓄热方式[9]。对应的蓄热器安装环境示意图如图5所示。

图5 蓄热体设置环境示意图

定义太阳能集热器的有效集热为Qu，单位为J，建筑热负荷为Ql，单位为J。白天由于被动太阳辐射缘故，房间负荷较小，因此呈现出供应大于需求的状态，蓄热器可以将多余的热量存储起来[10]。当夜间需求大于供应时，调用蓄存的能量，并通过辅助加热系统来补充Qu

Qu(τ)+Qb(τ)=Ql(τ)+Qs(τ)+Qe(τ)

(4)

式中：Qb为辅助加热量，Qs和Qe分别为蓄热器的蓄热量以及系统损失热量[11]，J。

根据民用建筑主动式太阳能采暖的应用规范，可以推测出青海西宁地区冬季安装集热器的最佳倾斜角度为46°[12]。在水平面上的太阳辐射已知时，民用建筑的太阳辐射值的计算公式如下：

(5)

式中：HTH、Hbh、Hh、和Hdh分别对应的是倾斜面上的总辐射平均值、水平面上的直接辐射平均值、水平面上的总辐射值和水平面上的散射辐射平均值，J/m2；β为倾斜面与水平面的夹角；Rbh为倾斜面与水平面直接辐射的比值；ρ为地表的平均反射率，%[13]。将变量的具体取值代入到式(5)中便可以确定累计太阳辐照量。接着估算建筑供热负荷，综合两个变量的计算结果，便可以得出建筑主动式太阳能得热量的具体取值结果。

2.3 民用建筑主动式太阳能采暖限定条件

采暖时间主要界定在冬季的太阳能热利用范围内，考虑最冷月的状况过于极端，而各地的采暖天数也由当地行政或主管部门的规定执行[14]。正常情况下青海西宁地区的采暖期从10月15日至4月15日，共180天。

在界定的采暖时间内，利用安装的相关设备实现对太阳能的主动采集和蓄存。而在实际的采暖能量应用的过程中[15]，需要采用强制循环控制方法实现对民用建筑的稳定供暖。利用强制循环控制技术，并有效地控制采暖热量的输配，以保证各个环节之间的良好衔接及采暖效果的稳定持续。

3 实验分析

3.1 实验对象与实验环境

对青海西宁2018—2019年不同地区的室外气象条件与现有建筑的室内环境进行现场测试。在青海西宁地区不同区域划分位置上选择适宜的民用住宅作为研究对象。

该院落接近正方形，院落的北部位置修建一幢民用房屋。民用建筑在南墙上大面积开窗作为太阳房，同时房屋为套间式组合，南向只有两个对外门。在实验过程中减少外门的开放次数，减少房屋的热量散失，从而保证降低客观因素对实验结果产生的影响。此次采暖工况实验测试的指标主要包括：采暖房屋室内的温度变化规律，不同采暖方式对应的能量消耗情况。因此需要在实验环境内安装温度测试设备以及能量监控设备，相应的测试仪器以太阳能采暖监控平台为介质，实现实验结果的可视化。太阳能采暖工况实验中应用的监控平台主界面如图6所示。

图6 太阳能采暖实验监控平台

3.2 实验指标

此次实验还需设置煤炭型采暖技术，该煤炭型采暖技术通过燃烧煤炭，以锅炉房提供的热水作为热源，锅炉房总装机容量为4.2 MW，供热负荷为7.24 MW，提供热源规格为85/60 ℃热水。

3.3 实验结果与分析

在三种不同的采暖方式下，通过分析民用建筑内的温度变化规律，得出实验结果，验证民用建筑主动式太阳能采暖技术的可行性。

图7是应用不同的采暖方式，实验研究对象室内温度的变化情况。如图7所示，煤炭型采暖技术无法维持温度平衡，随着室外温度的变化，室内温度也在实时发生变化，统计数据表明该采暖技术的室内温度波动为12 ℃。被动式太阳能采暖技术相比煤炭型采暖技术有效维持了温度的稳定变化，室内温度受外界环境温度影响的程度较低，在这种采暖技术的控制下室内温度的最大温差为9 ℃。然而从主动式太阳能采暖技术对应的曲线中可以看出，在一段时间内室内温度稳步上升，当到达25 ℃时，主动式采暖技术的室内温度较为稳定，另外通过节能性能估算，相比煤炭型采暖技术与被动式采暖技术，主动式太阳能采暖技术的节能率最高达34.3%。

图7 室内温度变化情况

4 结 论

本文通过分析青海西宁地区民用建筑主动式太阳能采暖，构建室内空气热平衡模型和传热模型，实现室内空气的内能变化率的变换；优化民用建筑主动式太阳能采暖硬件设备的设置参数，结合主动式太阳能采暖工作条件，实现青海西宁地区民用建筑主动式太阳能采暖技术研究。实验结论表明，设计的民用建筑主动式太阳能采暖技术可以有效地为居民供暖，节省了供暖能量消耗，具有较高的应用价值。在未来的相关研究中，应加强主动式采暖技术的细化，使其满足大部分地区的实际需求。