青藏高寒农牧区被动式太阳能暖房热性能数值模拟研究

刘志坚，庾汉成，马文生，靳光亚

（1．华北电力大学动力工程系，河北保定071000；

2．青海建筑职业技术学院，西宁810012；

3．中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院，北京100013）

 [摘要]青藏高寒农牧区海拔较高，气候寒冷，冬季较长，日夜温差大。采用传统的供暖方式，如煤或牛粪生物质燃料的煤炉，不能有效的解决当地冬季室内环境热舒适等相关问题。此区域的优势是太阳能资源非常丰富，采用被动式太阳能暖房解决冬季供暖问题是一种有效的技术路线。本文以青海省海东市互助县哈拉直沟乡新添堡村一所新建居住建筑为研究对象，采用IES-VE数值模拟和现场调查，研究了此建筑东房（附加集热墙和太阳能炕）、西房，中房（中左，中间，中右）以及阳光间供暖季6种房间室内环境逐时变化温度，同时对比研究了1月16日（晴天）和1月22日（阴天）典型日，六种房间逐时温度分布特性。研究结果表明晴天全天不同时刻东房室内环境温度明显高于西房和中房，与西房室内最大温差达近11℃，阳光间的昼夜温差最大，最高温差高达30℃左右；阴天东房与其他各房间的温差有所减小，但其室内环境温度乜明显高于其他房间，最大温差高达近8℃，阴天其余房间温差相差不大，最高温差不超过3℃，温度普遍偏低。

 [关键词]农村住宅；太阳能暖房；室内热环境；被动式集热墙；太阳能炕

0  引言

 积极应对全球变暖、减少碳排放和减缓消费石化能源已成为全球共同的战略选择。我国能源消费主要用于工业生产、交通运输及建筑这三大领域，其中建筑能耗约占总能耗的28 %，随着建筑总量的逐年递增，建筑能耗所占比例不断增高。而暖通空调的能耗作为建筑能耗主要组成，约占55%左右。青藏高寒地区海拔较高，气候寒冷，冬季较长，日夜温差大。因而供暖周期较长，往往持续8—10个月，个别区域甚至终年供暖。青海高寒地区，煤矿及石油资源相对匮乏，当地特殊的高原特性，燃料运输相对困难，成本较高。当地海拔较高，空气稀薄，全年大气压约为70 kPa左右，氧气丰度较低，常规燃料不能充分燃烧，不仅大大浪费常规能源的用量，同时产生大量的有害气体，严重威胁当地较为脆弱的生态环境。青海高寒地区太阳能资源极其丰富，全年日照时间长达3 000 h以上。充分利用太阳能清洁能源这一有利条件，能够有效解决青海高寒农牧区室内环境热舒适问题。

 前人对于被动式太阳能暖房相关技术进行了大量的研究工作。如大连理工大学的陈滨等研究了被动式太阳能集热墙和新型节能炕耦合运行对农村住宅室内热环境的影响，结果表明两种形式耦合运行工况下，其室内热环境明显优于仅由炕单独运行工况。文章指出被动式集热墙初投资约增加10%，整个供暖季节约用煤量50 %左右；吉林建筑工程学院周春艳等研究了被动式太阳能技术应用在严寒地区的农村的突出优势，通过从日照间距、平面功能布局、朝向、材料，气象特点以及选址等各方面探讨了严寒地区的利用有利的太阳资源条件，为有效解决严寒地区的农村其建筑热舒适差及室内空气品质的问题提供了参考；宁夏大学刘娟等对青藏高原地区的太阳能进行了相关实验研究，结果表明青藏高原地区适宜建造被动式太阳能房；孙鹏等通过相关实验探讨了新建建筑被动式太阳能暖房冬季热性能，结果表明被动式太阳房的晴天室内平均温度有5h室内达到了16℃，阴天太阳能暖房室内平均温度能达10℃左右，如果蓄热墙体内含有大量的水分，将会影响其蓄热性能；青海省新能源研究所白生菊等总结了青海省乡镇卫生院太阳能暖房设计经验，结果得出辅助热源、无冷热桥设计、科学选址及高性能节能窗等因素是影响青海地区被动式太阳能暖房性能的主要因素；王选等通过TRNSYS数值模拟了青海藏区被动式太阳能暖房温度变化特性，结果表明直接受益式和附加阳光间室内空气温度波动较大，热舒适较差，集热墙房间室内空气温度波动较小，热舒适较好，但是初投资要高，施工难度较大；芦潮等对高寒地区附加阳光间太阳能暖房节能特性进行分析，得出附加阳光间在供暖季节约供暖热量为54. 0%左右，在高寒地区具有显著的节能效果；重庆大学庄春龙等对青藏高原北部地区相变轻质哨所太阳能供暖特性进行了研究，建立了有关相变墙体传热和轻质被动式太阳房室内温度计算模型。提出了相变轻质墙体冬季供暖工况使用效果的评价指标。

 前人对被动式太阳能房供暖技术进行了较为详细的研究，但是针对青海高寒农牧区被动式太阳能暖房热性能研究较少，针对青海高寒农牧区独特的气候特点及民居住宅的结构特性，详细探讨东房（附加集热墙和太阳能炕）、西房，中房（中左，中间，中右）以及阳光间供暖季6种房间室内环境逐时变化温度，对于改善青海高寒农牧区冬季室内环境热舒适，减少传统能源消耗，保护环境具有重要意义。

1  研究对象及方法

本文以青海省海东市互助县哈拉直沟乡新添堡村1所新建居住建筑为研究对象，其外观如图1所示，其三维模型部分具体尺寸如图2所示。通过CAD图纸相关尺寸及现场实测相关结果，通过Revit软件及IES内嵌ModeIIT建模模块建立此建筑三维模型结构图（如图3所示），三维建筑模型主要包括东房，西房，中房（中左，中间，中右）及附加阳光间等6个房间。其中，东房除了通过直接受益窗获得太阳能以外，还有太阳能炕和被动式蓄热墙。西房只有直接受益窗，中间房间、中左房间和中右边房间通过玻璃窗户与附加阳光间相连接。附加阳光间外侧暴露于室内，图中灰色部分代表玻璃。通过IES-VE  (  Integrated Environmental Solutions-VirtualEnvironment)相关软件数值模拟了部分供暖季（从1月11日—3月30日，共计1 896 h）6个不同房间室内环境典型温度变化。同时重点对比研究了1月16日（晴天）和1月22日（阴天）典型日，6种房间逐时温度分布特性。其中IES-VE模拟软件技术路线如图4所示。

 IES-VE是由英国IES公司开发的集成化建筑模拟软件，其核心思想是通过建立1个三维模型，来进行各种建筑功能分析，减少了重复建模的工作，保证了数据的准确和工作的快捷。IES-VE的模块主要包括：三维建模工具-Model IT，供暖一制冷负荷计算工具-ApacheCal，动态负荷计算工具-ApacheSim，建筑空调系统模拟工具-ApacheHVAC，采光分析一Flucs，设计工具建筑采光模拟软件-Radiance，日照分析工具-SunCast，室内外流体力学模拟-MicroFlo，自来水管路尺寸计算-Taps，避难分析工具-Simulex，管路尺寸计算-IndusPro，初投资分析工具-CostPlan等模块组成。

2  模拟计算结果分析

从图5可以看出6种不同房间部分供暖季（从1月1 1日—3月30日，共计1 896 h）6个不同房间室内环境典型温度分布。从此图可以看出，供暖季此段时间内，东房的温度最高，最高温度达40. 01℃，其中高于3℃时刻占了90%左右；西房最高温度约为25. 13℃，最低温度为-7.12℃；与西房比，同一时刻的逐时温度，东房明显高于西房，供暖季此段时间东房平均逐时温度比西房高5℃左右；阳光间最高温度为38℃，最低温度为- 11℃；中房最高温度为30℃左右，最低温度-8℃。阳光间与中房相比，温度波动范围较大。中间房间、中左房间、中右边房间温度分布特性相似。供暖季此段时间内(1896 h)，东房平均逐时温度为9.95℃，西房平均逐时温度为4. 87℃，附加阳光间平均逐时温度为6.11℃，中间房间平均温度为5. 21℃，中右房间平均逐时温度为5. 13℃，中左房间平均逐时温度为5.01℃。通过对比分析，东房平均逐时温度最高，阳光间次之，西房最低。而中间三个逐时平均温度数值相似，均在5℃左右。总而言之，6所房间温度变化趋势一致，相同时刻温度差异较大。

图6为东房和西房逐时温度分布图，从此图可以看出，东房和西房最高温差为16℃左右，最低温差约为0.3℃左右，温差在0.3—3℃范围内，分布较为密集，其余温差范围分布较为松散，温差13~16℃范围内，分布最为松散。从此图可以看出东房与西房温度差异分布特性。东房与西房的平均温差为5. 08℃左右。

图7和图8分别展示了1月16日（晴天）和1月22日（阴天）6种不同房间的温度分布特性。从图7可以看出，晴天全天不同时刻东房室内环境温度明显高于西房和中房，与西房室内最大温差达近1 1℃左右，东房最高温度出现的时刻为17：00左右。附加阳光间的昼夜温差最大，最高温差高达30℃左右，附加阳光间最高温度出现在14：00左右；其中东房与西房最大温差出现时刻为18：00左右；阴天东房与其它各房间的温差有所减小，但是东房室内环境温度也明显高于其他房间，最大温差高达近8℃左右。除去东房外，阴天其余房间温差相差不大，最高温差不超过3℃，温度普遍偏低。

3结论

 通过青藏高寒农牧区被动式太阳能暖房热性能数值模拟研究，得出以下结论：

 1)东房室内温度热环境舒适性最高，平均逐时温度达到9. 95℃，平均温度高于西房5.08℃左右，东房昼夜室内温度波动较小。

 2)中间房间，中左房间，中右房间平均逐时温度分布差异不大，平均温度都在5. 11℃左右；西房温度最低，平均逐时温度只有4. 87℃。

 3)附加阳光间最高温度达38. 11℃，最低温度达-7.12℃，附加阳光间温度波动范围最大。

 4)晴天全天不同时刻东房室内环境温度明显高于西房和中房，与西房室内最大逐时温差达近11℃，东房最高温度出现的时刻为17：00左右。

 5)阴天东房与其它各房间的温差有所减小，但是东房室内环境温度也明显高于其他房间，最大温差高达近8．℃。除去东房外，阴天其余房间温差相差不大，最高温差不超过3℃，温度普遍偏低。

4致谢

 该研究获得青海省住房和城乡建设厅项目“青藏农牧区民居建设中被动式太阳能供暖方式比较性研究与示范”（2013 - QK -2）资助。