首頁

資訊中心

企業(yè)動態(tài)

行業(yè)動態(tài)

安全動態(tài)

行業(yè)資訊

設備資訊

工具資訊

材料資訊

招商代理

您當前位置:首頁 > 新聞頻道 > 技術(shù)動態(tài) > 正文

青藏高寒農(nóng)牧區(qū)被動式太陽能暖房熱性能數(shù)值模擬研究

2016-05-24 11:10:37 安裝信息網(wǎng)

劉志堅，庾漢成，馬文生，靳光亞

（1．華北電力大學動力工程系，河北保定071000；

2．青海建筑職業(yè)技術(shù)學院，西寧810012；

3．中國建筑科學研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院，北京100013）

[摘要]青藏高寒農(nóng)牧區(qū)海拔較高，氣候寒冷，冬季較長，日夜溫差大。采用傳統(tǒng)的供暖方式，如煤或牛糞生物質(zhì)燃料的煤爐，不能有效的解決當?shù)囟臼覂?nèi)環(huán)境熱舒適等相關問題。此區(qū)域的優(yōu)勢是太陽能資源非常豐富，采用被動式太陽能暖房解決冬季供暖問題是一種有效的技術(shù)路線。本文以青海省海東市互助縣哈拉直溝鄉(xiāng)新添堡村一所新建居住建筑為研究對象，采用IES-VE數(shù)值模擬和現(xiàn)場調(diào)查，研究了此建筑東房（附加集熱墻和太陽能炕）、西房，中房（中左，中間，中右）以及陽光間供暖季6種房間室內(nèi)環(huán)境逐時變化溫度，同時對比研究了1月16日（晴天）和1月22日（陰天）典型日，六種房間逐時溫度分布特性。研究結(jié)果表明晴天全天不同時刻東房室內(nèi)環(huán)境溫度明顯高于西房和中房，與西房室內(nèi)最大溫差達近11℃，陽光間的晝夜溫差最大，最高溫差高達30℃左右；陰天東房與其他各房間的溫差有所減小，但其室內(nèi)環(huán)境溫度乜明顯高于其他房間，最大溫差高達近8℃，陰天其余房間溫差相差不大，最高溫差不超過3℃，溫度普遍偏低。

[關鍵詞]農(nóng)村住宅；太陽能暖房；室內(nèi)熱環(huán)境；被動式集熱墻；太陽能炕

0 引言

積極應對全球變暖、減少碳排放和減緩消費石化能源已成為全球共同的戰(zhàn)略選擇。我國能源消費主要用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及建筑這三大領域，其中建筑能耗約占總能耗的28 %，隨著建筑總量的逐年遞增，建筑能耗所占比例不斷增高。而暖通空調(diào)的能耗作為建筑能耗主要組成，約占55%左右。青藏高寒地區(qū)海拔較高，氣候寒冷，冬季較長，日夜溫差大。因而供暖周期較長，往往持續(xù)8—10個月，個別區(qū)域甚至終年供暖。青海高寒地區(qū)，煤礦及石油資源相對匱乏，當?shù)靥厥獾母咴匦�，燃料運輸相對困難，成本較高。當?shù)睾０屋^高，空氣稀薄，全年大氣壓約為70 kPa左右，氧氣豐度較低，常規(guī)燃料不能充分燃燒，不僅大大浪費常規(guī)能源的用量，同時產(chǎn)生大量的有害氣體，嚴重威脅當?shù)剌^為脆弱的生態(tài)環(huán)境。青海高寒地區(qū)太陽能資源極其豐富，全年日照時間長達3 000 h以上。充分利用太陽能清潔能源這一有利條件，能夠有效解決青海高寒農(nóng)牧區(qū)室內(nèi)環(huán)境熱舒適問題。

前人對于被動式太陽能暖房相關技術(shù)進行了大量的研究工作。如大連理工大學的陳濱等研究了被動式太陽能集熱墻和新型節(jié)能炕耦合運行對農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明兩種形式耦合運行工況下，其室內(nèi)熱環(huán)境明顯優(yōu)于僅由炕單獨運行工況。文章指出被動式集熱墻初投資約增加10%，整個供暖季節(jié)約用煤量50 %左右；吉林建筑工程學院周春艷等研究了被動式太陽能技術(shù)應用在嚴寒地區(qū)的農(nóng)村的突出優(yōu)勢，通過從日照間距、平面功能布局、朝向、材料，氣象特點以及選址等各方面探討了嚴寒地區(qū)的利用有利的太陽資源條件，為有效解決嚴寒地區(qū)的農(nóng)村其建筑熱舒適差及室內(nèi)空氣品質(zhì)的問題提供了參考；寧夏大學劉娟等對青藏高原地區(qū)的太陽能進行了相關實驗研究，結(jié)果表明青藏高原地區(qū)適宜建造被動式太陽能房；孫鵬等通過相關實驗探討了新建建筑被動式太陽能暖房冬季熱性能，結(jié)果表明被動式太陽房的晴天室內(nèi)平均溫度有5h室內(nèi)達到了16℃，陰天太陽能暖房室內(nèi)平均溫度能達10℃左右，如果蓄熱墻體內(nèi)含有大量的水分，將會影響其蓄熱性能；青海省新能源研究所白生菊等總結(jié)了青海省鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院太陽能暖房設計經(jīng)驗，結(jié)果得出輔助熱源、無冷熱橋設計、科學選址及高性能節(jié)能窗等因素是影響青海地區(qū)被動式太陽能暖房性能的主要因素；王選等通過TRNSYS數(shù)值模擬了青海藏區(qū)被動式太陽能暖房溫度變化特性，結(jié)果表明直接受益式和附加陽光間室內(nèi)空氣溫度波動較大，熱舒適較差，集熱墻房間室內(nèi)空氣溫度波動較小，熱舒適較好，但是初投資要高，施工難度較大；蘆潮等對高寒地區(qū)附加陽光間太陽能暖房節(jié)能特性進行分析，得出附加陽光間在供暖季節(jié)約供暖熱量為54. 0%左右，在高寒地區(qū)具有顯著的節(jié)能效果；重慶大學莊春龍等對青藏高原北部地區(qū)相變輕質(zhì)哨所太陽能供暖特性進行了研究，建立了有關相變墻體傳熱和輕質(zhì)被動式太陽房室內(nèi)溫度計算模型。提出了相變輕質(zhì)墻體冬季供暖工況使用效果的評價指標。

前人對被動式太陽能房供暖技術(shù)進行了較為詳細的研究，但是針對青海高寒農(nóng)牧區(qū)被動式太陽能暖房熱性能研究較少，針對青海高寒農(nóng)牧區(qū)獨特的氣候特點及民居住宅的結(jié)構(gòu)特性，詳細探討東房（附加集熱墻和太陽能炕）、西房，中房（中左，中間，中右）以及陽光間供暖季6種房間室內(nèi)環(huán)境逐時變化溫度，對于改善青海高寒農(nóng)牧區(qū)冬季室內(nèi)環(huán)境熱舒適，減少傳統(tǒng)能源消耗，保護環(huán)境具有重要意義。

1 研究對象及方法

本文以青海省海東市互助縣哈拉直溝鄉(xiāng)新添堡村1所新建居住建筑為研究對象，其外觀如圖1所示，其三維模型部分具體尺寸如圖2所示。通過CAD圖紙相關尺寸及現(xiàn)場實測相關結(jié)果，通過Revit軟件及IES內(nèi)嵌ModeIIT建模模塊建立此建筑三維模型結(jié)構(gòu)圖（如圖3所示），三維建筑模型主要包括東房，西房，中房（中左，中間，中右）及附加陽光間等6個房間。其中，東房除了通過直接受益窗獲得太陽能以外，還有太陽能炕和被動式蓄熱墻。西房只有直接受益窗，中間房間、中左房間和中右邊房間通過玻璃窗戶與附加陽光間相連接。附加陽光間外側(cè)暴露于室內(nèi)，圖中灰色部分代表玻璃。通過IES-VE ( Integrated Environmental Solutions-VirtualEnvironment)相關軟件數(shù)值模擬了部分供暖季（從1月11日—3月30日，共計1 896 h）6個不同房間室內(nèi)環(huán)境典型溫度變化。同時重點對比研究了1月16日（晴天）和1月22日（陰天）典型日，6種房間逐時溫度分布特性。其中IES-VE模擬軟件技術(shù)路線如圖4所示。

IES-VE是由英國IES公司開發(fā)的集成化建筑模擬軟件，其核心思想是通過建立1個三維模型，來進行各種建筑功能分析，減少了重復建模的工作，保證了數(shù)據(jù)的準確和工作的快捷。IES-VE的模塊主要包括：三維建模工具-Model IT，供暖一制冷負荷計算工具-ApacheCal，動態(tài)負荷計算工具-ApacheSim，建筑空調(diào)系統(tǒng)模擬工具-ApacheHVAC，采光分析一Flucs，設計工具建筑采光模擬軟件-Radiance，日照分析工具-SunCast，室內(nèi)外流體力學模擬-MicroFlo，自來水管路尺寸計算-Taps，避難分析工具-Simulex，管路尺寸計算-IndusPro，初投資分析工具-CostPlan等模塊組成。

2 模擬計算結(jié)果分析

從圖5可以看出6種不同房間部分供暖季（從1月1 1日—3月30日，共計1 896 h）6個不同房間室內(nèi)環(huán)境典型溫度分布。從此圖可以看出，供暖季此段時間內(nèi)，東房的溫度最高，最高溫度達40. 01℃，其中高于3℃時刻占了90%左右；西房最高溫度約為25. 13℃，最低溫度為-7.12℃；與西房比，同一時刻的逐時溫度，東房明顯高于西房，供暖季此段時間東房平均逐時溫度比西房高5℃左右；陽光間最高溫度為38℃，最低溫度為- 11℃；中房最高溫度為30℃左右，最低溫度-8℃。陽光間與中房相比，溫度波動范圍較大。中間房間、中左房間、中右邊房間溫度分布特性相似。供暖季此段時間內(nèi)(1896 h)，東房平均逐時溫度為9.95℃，西房平均逐時溫度為4. 87℃，附加陽光間平均逐時溫度為6.11℃，中間房間平均溫度為5. 21℃，中右房間平均逐時溫度為5. 13℃，中左房間平均逐時溫度為5.01℃。通過對比分析，東房平均逐時溫度最高，陽光間次之，西房最低。而中間三個逐時平均溫度數(shù)值相似，均在5℃左右�？偠灾�，6所房間溫度變化趨勢一致，相同時刻溫度差異較大。

圖6為東房和西房逐時溫度分布圖，從此圖可以看出，東房和西房最高溫差為16℃左右，最低溫差約為0.3℃左右，溫差在0.3—3℃范圍內(nèi)，分布較為密集，其余溫差范圍分布較為松散，溫差13~16℃范圍內(nèi)，分布最為松散。從此圖可以看出東房與西房溫度差異分布特性。東房與西房的平均溫差為5. 08℃左右。

圖7和圖8分別展示了1月16日（晴天）和1月22日（陰天）6種不同房間的溫度分布特性。從圖7可以看出，晴天全天不同時刻東房室內(nèi)環(huán)境溫度明顯高于西房和中房，與西房室內(nèi)最大溫差達近1 1℃左右，東房最高溫度出現(xiàn)的時刻為17：00左右。附加陽光間的晝夜溫差最大，最高溫差高達30℃左右，附加陽光間最高溫度出現(xiàn)在14：00左右；其中東房與西房最大溫差出現(xiàn)時刻為18：00左右；陰天東房與其它各房間的溫差有所減小，但是東房室內(nèi)環(huán)境溫度也明顯高于其他房間，最大溫差高達近8℃左右。除去東房外，陰天其余房間溫差相差不大，最高溫差不超過3℃，溫度普遍偏低。