13-青藏高原地区集热蓄热墙式太阳房供暖性能测试分析

中国可再生能源学会2011年学术年会论文（太阳能建筑专业）青藏高原地区集热蓄热墙式太阳房供暖性能测试分析王登甲，刘艳峰，王斌，刘加平（西安建筑科技大学，陕西西安市雁塔路13号，710055）摘要：对青藏高原地区集热蓄热墙式太阳房室内外空气温度、水平面和南立面太阳直射散射辐射强度、集热蓄热墙夹层温度分布、通风孔风速和风温，墙体热流等参数进行了测试。通过对测试数据分析，得到以下结论：集热蓄热墙式太阳房具有较好的集热和蓄热性能，其通风孔应在日出时间开始计算两小时后打开较为合理，且可知集热蓄热墙日平均供暖率可达69.7%；集热蓄热墙太阳房节能率可达79.5%。关键词：集热蓄热墙；通风孔；供热效率；节能率0引言集热蓄热墙式太阳房作为太阳房的一种，通过合理的设计可将围护结构由散热部件转变为得热部件。集热蓄热墙供热效果可通过集热效率、节能率等指标作以评价，其受到空气夹层厚度、通风孔的设置与大小、玻璃层数、蓄热墙夹层高度以及蓄热墙外表涂层等因素影响[1-3]；本项研究所针对的集热蓄热墙为有通风口式、单层普通玻璃盖板、100mm空气层，集热蓄热墙外表面为涂藏红漆瓦楞铁皮结构的蓄热墙。青藏高原地区具有太阳辐射强烈、冬季干燥寒冷、日较差大、采暖期时间长、多大风等特征。集热蓄热墙式太阳房由于其室温波动小、集热效率高等优点，在该地区得到了广泛的应用。本文以青海省刚察县牧民定居点太阳能采暖示范工程为测试对象，在青海省刚察县建设局支持以及青海省新能源（集团）有限公司的全力配合下，2011年1月对该被动太阳房进行了为期一周的短期测试。测试参数包括：室外水平面及南墙面太阳直射和散射辐射强度，集热蓄热墙空气层温度分布，集热蓄热墙通风孔风速和风温，集热蓄热墙内表面表面温度及热流，集热蓄热墙卧室及室外空气温度。通过对以上测试数据分析，预期将得到集热蓄热墙逐时供热量，集热效率，辅助热量以及节能率等，实现对该集热蓄热墙太阳房全面评价，为该类太阳房在青藏高原地区的推广提供基础数据及设计指导。1测试概况1.1气候条件刚察县地处青藏高原地区，平均海拔3300.5m，绝大部分地区海拔在3500m以上，海拔最高点4775m，最低点3195m。属于典型的高原大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大，年降水量少，冬季寒冷干燥，1月平均气温-17.5℃，其中采暖期长达242天。太阳能资源丰富，年日照时数3037h，日照百分率为68%，境内平均日照时数8小时以上，年总辐射可达6580MJ/m2。太阳能资源仅次于拉萨，位于全国第二。1.2测试对象被测示范工程建筑位于青海省刚察县东北角，单层建筑，日照间距满足要求，建筑南立面不受任何遮挡。由于县城规划需要，建筑朝向为南偏西15度。其建筑平面如图1（a）所示。测试房间选择卧室2，其南立面为集热蓄热墙构造，房间尺寸为：开间3300mm,进深3900mm,高2900mm,其南立面如图1（b）所示。集热蓄热墙测点布置如图2所示。围护结构构造：屋面为120mm厚钢筋混凝土现浇板+100mm厚挤塑型聚苯板，传热系数为0.33W/m2·℃。地面为150mm厚3：7灰土+40mm厚挤塑型聚苯板+300mm厚卵石垫层+100mm厚混凝土地面，传热系数为0.29W/m2·℃。外墙为240mm厚砖墙+80mm厚挤塑型聚苯板，0.31W/m2·℃。南窗采用60系列外开双玻塑钢窗，传热系数为2W/m2·℃，尺寸为1500mm×1800mm。集热蓄热墙由内至外分别为240mm厚砖墙+50mm厚挤塑型聚苯板+0.5mm涂藏红漆瓦楞铁皮+100mm空气夹层+60系列单玻塑钢窗。上下通风孔尺寸为200mm×200mm，离南墙上下边缘均为150mm。测试期间，由于工程刚完工，室内无人员居住，无其他热源，通风孔早上9：00开启，下午18:00关闭。1.3测试目的①掌握集热蓄热墙室内温度及其逐时供热量。②掌握集热蓄热墙供热效率及其节能率。2测试方案2.1测试时间测试时间为2011年1月13日12:00至1月21日12:00，测试期间天气晴好，日照强烈，微风，属于典型的高原严寒地区冬季气候。2.2测试参数及仪器测试参数包括，太阳直射辐射和散射辐射强度，室内外空气温度，蓄热墙空气层温度分布，集热蓄热墙通风孔温度、风速，壁面温度及热流。太阳辐射强度采用国产TBD-1型辐射仪测试，并与QTS-4型全天候光辐数据自记仪配合使用，仪器灵敏度为8.789W/m2。测点布置在被测建筑屋面，四周无遮挡，10min记录一次。室内外空气温度采用TR-72U自记式温度计（温度探头为pt100），灵敏度为0.2℃，10min记录一次。室内温度测点设在房间中部、距地面1.5m。室外空气温度测量仪置于屋面背阴处，并以套筒遮蔽。蓄热墙空气层温度分布以及壁面温度采用热电偶温度计（温度探头为K分度热电偶传感器）测试，型号为CENTER309,测量精度为±(0.3%rdg)+1℃，10min自动记录一次。壁面热流采用中国建筑科学研究院物理所研制的R70B温度热流巡回采集记录仪，10min自动记录一次。通风孔风速、风温采用瑞典Swema3000压力/风速/温度多功能测量仪，配备万向微风速探头测试。起居室卧室1厨房卧室2洗手间阳光间200X200上通风孔200X200下通风孔（a）建筑平面（b）南立面图1集热蓄热墙太阳房南立面玻璃盖板太阳辐射玻璃盖板通风孔通风孔挡板温度测点风速测点热流测点(a)昼间模式(b)夜间模式室内室外室内室外图2集热蓄热墙热性能参数测点布置3测试结果及分析3.1太阳辐射强度测试期间水平面和南立面总辐射强度、散射辐射强度分别如图3所示。010020030040050060070080090009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时刻/h辐射强度/W•m-2水平面总辐射水平面散射辐射南立面总辐射南立面散射辐射图3水平面与南立面总辐射和散射辐射强度由图3可知：水平面太阳总辐射日最大及平均值分别为619W/m2、364W/m2，南面太阳总辐射日最大及平均值为811W/m2、477W/m2，且最大值基本均出现在午后14：00。由此可见，由于冬季太阳高度角较小，南墙面太阳辐射明显强于水平面，约高出30%左右，且各总辐射中直射辐射占到80%以上。该地区冬季太阳辐射强烈，可为被动太阳房热利用提供较好的热源条件。3.2集热蓄热墙测试参数集热蓄热墙顶部、中间和底部温度如图4所示；上部通风孔、下部边通风孔和下部中通风孔风温和风速分别如图5、图6所示。-30-20-100102030405000:0003:0006:0009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:0009:0012:0015:0018:0021:00时刻/h温度/℃顶部中间底部图4集热蓄热墙空气夹层温度分布-30-20-100102030405000:0003:0006:0009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:0009:0012:0015:0018:0021:0000:00时刻/h温度/℃上部通风孔下部边通风孔下部中通风孔图5集热蓄热墙各通风孔温度由图4可知：集热蓄热墙空气夹层内温度有明显的分层效果，上部、中部和底部全天日平均温度分别为2.2℃、-3.5℃和-8.6℃，其中昼间平均值分别可达23.5℃，18.1℃和2.4℃，昼间最大值分别为41.1℃、35.1℃和14.0℃。由于集热蓄热墙仅在昼间使用，因此，昼间温度蓄热墙空气夹层内温度分层更能体现其热性能，上下通风孔温差平均值可达20℃以上，对以热压作用的集热蓄热墙夹层内空气循环供热提供了较佳的温度分布状况。由图5可知：选取集热蓄热墙上三个通风孔为测试对象，分别为上部一个通风孔，下部中间和边上通风孔，认为上部两通风孔类似，下部两侧通风孔类似；使用期间，由于测试位置相似的原因，上下通风孔温度状况与前述空气夹层内顶部温度和底部温度基本相同；从图上可看出，下部中间和边上温度稍有差异，其原因是由于下部边通风孔靠近隔墙，向隔墙邻室有传热量造成的其温度稍低于下部中间处通风温度。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9109:0009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:3017:0017:30时刻/h风速/m•s-1上通风孔下部边通风孔下部中通风孔图6集热蓄热墙各通风孔风速由图6可知：由于集热蓄热墙夹层内热压通风作用，集热蓄热墙各通风孔风速也有明显的差异，上部昼间平均值为0.59m/s,下部、中间和边上分别为0.35m/s以及0.24m/s。其差值主要由于上部为两通风孔，而下部为三通风孔所致。总结以上数据可知，通风孔在白天工作期间，上下通风孔有足够的温差和风速，这为集热蓄热墙供热提供了适宜的条件。3.3室内外空气温度-32-28-24-20-16-12-8-40481216202400:0006:0012:0018:0000:0006:0012:0018:0000:0006:0012:0018:0000:0006:0012:0018:0000:00时刻/h温度/℃室外空气集热蓄热墙室内图7室内外空气温度由图7可知：室外空气温度在-5℃～-30℃之间，其日平均值为-16.9℃，而且室外空气相对湿度在5%～40%之间，平均值为19.8%（图略）。可见该地区冬季寒冷干燥，属于典型的严寒地区。集热蓄热墙卧室室内温度最高值为20℃，最低值为-4.8℃，日平均气温为0.7℃，室内温度仍较低。但是，被动太阳房性能优劣不能仅以室内温度来评价，文献[4]给出室内外平均温度差值T∆，该太阳房室内外平均温差为17.6℃，此温差在一定程度上可反应集热蓄热墙太阳房具有较好的集热和蓄热性能；文献[5]给出节能率ESF等评价指标，后文利用节能率ESF对集热蓄热墙式太阳做了进一步评价。4供暖性能分析4.1逐时供热量集热蓄热墙体通过两种途径将热量传入室内。其一是经集热蓄热墙上、下通风孔以流换热方式将热量传向室内空气；其二是集热蓄热墙外表面吸收太阳辐射，经蓄热墙体以热传导方式传入蓄热墙内表面，再经过对流方式传递给室内空气。集热蓄热墙上下通风孔供给室内的对流供热量可表述为：[]()()()()cptbQmcttττττ=−（1）其中，pc为空气的定压比热，kJ/kg·℃；()ttτ、()btτ：流出集热蓄热墙上通风孔和流进集热蓄热墙下通风孔的温度，℃；()mτ：通过上下通风孔的质量流量，kg/h，可由下式计算：()3600()mvAτρτ=（2）其中，v为通风孔风速，m3/s，取上通风口风速；A：通风口面积，m2，取上通风口面积的两倍；()ρτ平均密度，取上下通风孔温度日平均值的平均值所对应的空气密度，kg/m3。集热蓄热墙的导热供热量可表述为：()()sQqFλλττ=（3）其中，()qλτ为集热蓄热墙的导热量，W/m2,即导热热流，由巡回检测仪热流探头测得。测得热流数据表明，从上午11：50至下午18:00热流方向为集热蓄热墙朝向室内，其余时间为负值，因此只计算该时间段内导热供热量。sF为集热蓄热墙面积，m2。分别计算得出的集热蓄热墙对流和导热供热量如图8所示。由图8可知：对流供热量明显大于导热供热量，因此集热蓄热墙主要依靠通风孔的对流作用向室内供热。其中对流供热量最大可达3273W，导热供热量最大值为290W，均出现在下午15:00左右；昼间对流和导热05001000150020002500300035009:009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:3017:0017:3018:00时刻/h供热量/W对流供热量导热供热量图8集热蓄热墙逐时对流和导热供热量累计平均供热量为1827W。从上图中还可以看出，对流供热量从早上9：00点开始，先是逐渐减少，直至10:30左右，约减小为零，而后