安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院   石團(tuán)團(tuán)，沈念俊

以典型皖南傳統(tǒng)民居為研究對(duì)象，結(jié)合廂房“地籠”設(shè)計(jì)太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)改善室內(nèi)冬季的熱環(huán)境。在TRNSYS模擬平臺(tái)上建立了太陽(yáng)能地板輻射采暖的系統(tǒng)模型，包括環(huán)境參數(shù)處理、建筑模型、集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)及結(jié)果輸出六個(gè)子系統(tǒng)，在TRNSYS中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模擬結(jié)果表明：冬季采暖時(shí)，十二、一、二月份室內(nèi)溫度達(dá)到16℃以上的時(shí)間分別占到總時(shí)間的88.6%、81.1%和86.8%；太陽(yáng)能保證率分別為34.0%、23.5%和29.5%，系統(tǒng)在皖南地區(qū)的運(yùn)用是可行的。經(jīng)濟(jì)性分析表明太陽(yáng)能熱水地板輻射采暖系統(tǒng)具有較低的采暖能耗和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

    關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)民居，太陽(yáng)能，低溫地板輻射采暖，TRNSYS

    一、引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多地方都出現(xiàn)千城一面、萬(wàn)鎮(zhèn)同貌的現(xiàn)象，因此對(duì)傳統(tǒng)建筑特色的保護(hù)及室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)的挖掘是非常重要的。皖南民居在選址布局上依山傍水，重視與自然環(huán)境的融合，創(chuàng)造出良好的氣候環(huán)境。建筑構(gòu)造體系為厚外墻、薄屋頂、木隔墻，結(jié)合封閉外墻及狹小天井的建筑空間組合，室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)鮮明。皖南民居關(guān)于熱環(huán)境的研究表明冬季室內(nèi)存在潮濕、昏暗、采光不足等缺點(diǎn)。皖南傳統(tǒng)民居夏季隔熱效果相對(duì)較好，室內(nèi)主觀感受較為陰涼，廳堂通風(fēng)較好因而較為舒適；而冬季舒適度較差，冬季建筑保溫效果及氣密性較差，冬季寒冷的室外環(huán)境波動(dòng)對(duì)室內(nèi)熱舒適性影響較大，在應(yīng)對(duì)寒冷氣候方面皖南建筑防寒功能顯得尤為不足，并且當(dāng)?shù)啬壳盎究炕鹜安膳@也反應(yīng)出傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)與能源利用方式的缺陷，迫切需要采取一系列措施去深入解決這種現(xiàn)狀。

國(guó)內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)民居開(kāi)展了大量研究^[1-3]，在傳統(tǒng)民居室內(nèi)環(huán)境方面的研究目前可以分為傳統(tǒng)民居生態(tài)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)挖掘和室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造機(jī)理的認(rèn)識(shí)^[4-11]。對(duì)于皖南傳統(tǒng)民居的研究^[12-14]，主要集中在通風(fēng)環(huán)境的模擬分析和建筑熱環(huán)境參數(shù)的實(shí)測(cè)上，因此，針對(duì)皖南民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境較差的問(wèn)題亟需提出相應(yīng)改善措施。

    二、典型皖南傳統(tǒng)民居太陽(yáng)能低溫輻射采暖系統(tǒng)

    1. 馀慶堂建筑概況

馀慶堂為典型的清代民居，二進(jìn)五廂，花磚貼門(mén)墻，“鳳”字墻頭，俗稱(chēng)“卷龍屋”。單體房間及組合而成的整體建筑體現(xiàn)出進(jìn)緊湊的布局特征，是集約土地的極致表現(xiàn)，馀慶堂平面如圖1所示。天井底部地面設(shè)置有水槽排水，并布置有花草、假山盆景增加內(nèi)部空間的景致與美感。庭院不同于天井的高深，庭院圍墻一般較矮，更易于接納陽(yáng)光，解決生活中的晾曬問(wèn)題。

圖1 馀慶堂平面圖

   2. 太陽(yáng)能低溫輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以較低的室內(nèi)溫度來(lái)考慮村鎮(zhèn)住宅建筑的冬季采暖需求，可以適當(dāng)?shù)慕档妥≌ㄖ芎模矠槭覂?nèi)采暖系統(tǒng)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供可能。將村鎮(zhèn)冬季室內(nèi)采暖計(jì)算溫度的范圍設(shè)置在14～16℃之間是合適的，本文選擇室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16℃。

1、2、3、4-溫度傳感器；5-集熱側(cè)循環(huán)泵；6-采暖側(cè)循環(huán)泵；7-排氣閥；8-補(bǔ)水泵；9-電加熱器；10-蓄熱水箱；11-分水器；12-集水器；13-集熱器；14-控制器；15-自來(lái)水表；16-膨脹閥；17、18-三通閥

圖2 太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)

考慮到廂房地面為架空地籠，為地板輻射末端的鋪設(shè)創(chuàng)造了有利條件，而低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的供水溫度在35～45℃即可滿(mǎn)足需求，節(jié)能性及舒適性方面，都較為適合與太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)合。因此，針對(duì)馀慶堂東廂房1、2兩個(gè)居住空間設(shè)計(jì)太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，以期改善冬季室內(nèi)濕冷環(huán)境[^15]。

冬季白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大時(shí)，太陽(yáng)輻射能被集熱板吸收并傳遞給內(nèi)部介質(zhì)，加熱由蓄熱水箱下部流入到集熱器的冷水送入蓄熱水箱上部。蓄熱水箱內(nèi)熱水由采暖側(cè)循環(huán)泵提供動(dòng)力，經(jīng)分水器進(jìn)入室內(nèi)地板輻射末端，回水最終經(jīng)集水器進(jìn)入蓄熱水箱底部。如此反復(fù)循環(huán)將熱量供給室內(nèi)，水箱中熱水貯熱量不足時(shí)，開(kāi)啟供水管路上的輔助電加熱器。夏季和過(guò)渡季節(jié)關(guān)閉采暖系統(tǒng)供回水處的管道閥門(mén)，蓄熱水箱熱水用于盥洗、淋浴等生活熱水[^16]。

表1 太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)設(shè)備匯總表

    3.系統(tǒng)模型

系統(tǒng)集熱側(cè)主要有平板集熱器、蓄熱水箱、集熱側(cè)循環(huán)泵、控制器、氣象參數(shù)等組成。系統(tǒng)集熱側(cè)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)主要有蓄熱水箱、輔助加熱器、控制器、地板輻射供暖房間、數(shù)據(jù)讀取器、方程運(yùn)算器、氣象參數(shù)等組成。系統(tǒng)供暖側(cè)的流程如圖4所示。

圖3 集熱側(cè)流程圖

圖4 供暖側(cè)流程圖

太陽(yáng)能集熱器與蓄熱水箱之間循環(huán)采用溫差循環(huán)方式。集熱器出口水溫T₁與蓄熱水箱下部水溫T₂溫差T₁-T₂≥5℃，集熱側(cè)循環(huán)加熱泵開(kāi)啟；當(dāng)T₁-T₂＜2℃，表明集熱器與水箱之間已經(jīng)充分進(jìn)行了熱交換，循環(huán)加熱泵停止工作。供暖側(cè)主要根據(jù)地板表面溫度對(duì)供熱水泵啟停進(jìn)行控制。即當(dāng)?shù)匕鍦囟雀哂?/span>25℃時(shí)水泵關(guān)閉，低于24℃時(shí)開(kāi)啟。

蓄熱水箱中的水溫可能超過(guò)地板采暖的供水溫度，供、回水管路上安裝三通閥，通過(guò)調(diào)控三通閥門(mén)，當(dāng)水箱中的溫度高于45℃，地板采暖循環(huán)泵開(kāi)啟的同時(shí)開(kāi)啟三通閥，把適量的回水與供水熱水混合以提供規(guī)定的穩(wěn)定供水溫度。蓄熱水箱的出口溫度<35℃時(shí)，打開(kāi)輔助加熱器。

基于TRNSYS模擬軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)仿真模型

    三、模擬結(jié)果分析

   1. 太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)室內(nèi)溫度

圖6 室內(nèi)溫度及地板表面溫度分布圖

冬季12-2月在太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)運(yùn)行下，2個(gè)東廂房的室內(nèi)溫度及地板溫度隨時(shí)間的變化如圖6，模擬結(jié)果分析如表2。東廂1較東廂2的溫度稍低，主要是其相對(duì)位置決定的，東廂2位于東廂1與廳堂之間，與室外直接接觸的外圍護(hù)面積相對(duì)較少。

表2 室內(nèi)溫度模擬結(jié)果

    2. 集熱器日效率分析

圖7 12-2月集熱器日效率分布

集熱器日效率與太陽(yáng)輻射的關(guān)系可知：集熱器日效率在12月6日最大，達(dá)到55%；部分由于陰雨天太陽(yáng)輻射較小，集熱器日效率最小時(shí)為0。12月份集熱日效率平均為33.15%，1月份集熱日效率平均為29.33%，2月份集熱效率日平均為31.77%，可見(jiàn)，皖南地區(qū)由于太陽(yáng)能輻射量及自身氣候等原因，冬季的太陽(yáng)能集熱器效率相對(duì)偏低。

      3.水箱溫度與供水溫度關(guān)系分析

圖8 水箱出水溫度及供水溫度分布（1月份）

由一月份水箱出水溫度及室內(nèi)供水溫度可知：水箱出水溫度最高為46.9℃，最低為24.51℃；當(dāng)水箱出水溫度小于35℃時(shí)，輔助加熱器開(kāi)啟，將溫度加熱到35℃后關(guān)閉，當(dāng)水箱溫度高于35℃時(shí)，供水溫度與水箱水溫一致，且水箱溫度過(guò)高時(shí)回水與供水混合，避免供水溫度過(guò)高導(dǎo)致地板溫度超過(guò)舒適范圍。一月份供水平均溫度為30.54℃。由于系統(tǒng)輔助熱源的存在，水箱回水溫度較高，使得整個(gè)冬季水箱內(nèi)溫度保持在24℃以上。

    4. 節(jié)能效益分析

將電輔助加熱的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與電鍋爐、燃?xì)忮仩t的能耗進(jìn)行對(duì)比分析。表3 給出了3 種方案的動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值[^17] 。電輔助加熱的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值最低，具有最好的經(jīng)濟(jì)性。隨著常規(guī)能源價(jià)格的增長(zhǎng)，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。

表3 各方案動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值計(jì)算表

    四、結(jié)論

1．系統(tǒng)運(yùn)行特性表明，廂房?jī)?nèi)溫度控制基本滿(mǎn)足了皖南地區(qū)室內(nèi)溫度需求。十二、一、二月份廂房室內(nèi)平均溫度分別為17.57℃、16.53℃和17.15℃，16℃以上的時(shí)間分別占到總時(shí)間的88.56%、81.12%和86.79%。

2．當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源情況決定了系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率較為一般，十二、一、二月太陽(yáng)能保證率分別為33.96%、23.52%和29.47%；冬季的太陽(yáng)能集熱器日效率相對(duì)偏低。

3．相較于電鍋爐、燃?xì)忮仩t，電輔助加熱的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值最低，為0.38萬(wàn)元，燃油鍋爐和電鍋爐的動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值分別是電輔助加熱的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的1.94倍和1.52倍。

因此，系統(tǒng)在皖南地區(qū)的運(yùn)用是可行的，太陽(yáng)能熱水地板輻射采暖系統(tǒng)具有較低的采暖能耗和較好的經(jīng)濟(jì)效益。