046 西北地区居住建筑太阳能采暖保证率

西北地区居住建筑太阳能采暖保证率

西安建筑科技大学 刘艳峰 鱼亚丽 孔丹

摘要：分析了拉萨、西安和西宁三地居住建筑在不同层数和保温要求组合条件的采暖负荷；研究了拉萨多层居住建筑热负荷随窗墙面积比变化规律，以及单层传统民居在不同保温状况及有无附加阳光间时的热负荷。结果表明：各地的太阳辐射强度决定地区间的太阳能采暖保证率差别；太阳能采暖保证率随楼层减少、南向窗面积增大而升高。若对拉萨单层传统民居采取保温措施，并设置阳光间，可明显降低主动太阳能采暖集热器面积。

关键词： 居住建筑，采暖，太阳能保证率，热负荷

0 引言

我国建筑耗能占全国商品能源的21%～24%，其中采暖耗能占民用建筑总能耗的56%～[1]

58%。我国西北地区属于一二类太阳能密度划

[2]

分区，具有利用太阳能采暖条件。熊安华对西藏政法委某住宅作太阳能采暖设计并测试其室温，表明该系统日集热量可满足房间供暖要求；

[3]

潘云钢等通过对拉萨火车站供暖系统各子系统参数计算分析，提出以太阳能为采暖热源时应注意的问题；文献[4]在设计了太阳能供暖系统，并测试水箱温度场、速度场，从而验证模拟分析结论。以上研究对我国太阳能采暖的应用和推广都起到了积极作用，但目前对西北地区太阳能采暖适用性，尤其是各地太阳能采暖保证率能达到什么程度尚未见系统性的研究。工程设计人员亦缺少相关设计指导意见。

本文拟通过数值模拟研究西安、西宁及拉萨地区在不同保温程度，南向窗墙面积比和层数等组合条件下的建筑热负荷变化，以期得到以上参数对太阳能采暖保证率的影响规律。

? (2) Qu?AcFR??S????UL?Tf，i????Ta?????其中Ac为集热器面积，m2；FR为热迁移因子，即实际换热量与最大可能换热量之比；

S???为吸收面吸收的太阳辐照度，W/ m2；UL为集热器热损失系数，W/ (m·℃)；Tf，i???、

2

室外空气温Ta???分别为进入集热器流体温度、

度，℃。

Qg为供给建筑的热负荷，W，根据文献[5]

Qg?MCW?Tm????Th???? (3)

其中，M为系统水流量，kg/s；CW为比热容，J/(kg·℃)；Tm???、Th???分别为采暖系统供、回水温度，℃。

2 实例模拟分析

利用DeST软件输入每组模拟条件，包括气象参数、保温状况、楼层及室内温度设定值等，得建筑热负荷，得出典型日建筑热负荷曲线；由各地太阳辐射强度条件计算得出得有效太阳辐

1 理论分析 射量曲线。计算中，供热系统热量损失取20%[6]，

[7]

集热器效率取0.5。利用Origin软件对以上曲太阳能采暖保证率是指集热器所集有效太

阳能热量与供给建筑热量之比，即： 线图进行拟合积分， 得到典型日各条件下建筑负

荷累计总值和太阳辐射能量总值及，利用式（1）

f?Qu/Qg (1) 得到太阳能采暖保证率规律。 式中Qu为集热器有效太阳能集热量，W，根据文献[5]：

2.1 分析条件

以某典型住宅为模拟对象，建筑层数分别取

为二层、四层及六层，每层平面图相同（见图1）；

表1 各围护结构热工参数 拉萨单层传统民居平面图见图2。建筑围护结构热物性参数见表1。

图1典型多层建筑平面图 Fig.1 typical multilayer residential building 图2 拉萨传统民居平面图

Fig.2 traditional dwelling building in Lhasa

图1中除储藏室、阳台、楼梯间，图2中除食物储藏室，其余房间均为连续采暖。在模拟过程中外窗设置窗帘，其中南向窗帘21：00至次日早10：00打开。计算以2007年冬至日的室外气象条件为基准，室内采暖设计温度为18℃。 2.2计算结果

通过模拟得出了在现行节能标准（节能50%）和达到65%节能要求，窗墙面积比分别为0.3、0.35、0.5、0.7，建筑层数分别为0.3、0.35、0.5、0.7，建筑层数分别为2、4、6层，以上不同组合条件下，拉萨、西安及西宁的建筑热负荷

Table 1 thermal character of envelopes

围护

结构 屋顶 外墙

楼梯间 隔墙

户门

外窗

拉萨 K1 0.812 1.321 2.218 4.65 5.70 K2 0.585 0.622 1.515 2.68 3.10/ 4.70 K3 0.585 1.116 1.515 2.68 3.10 K4 0.427/ 0.407/ 0.463 0.487 1.170 1.40 2.20 西宁 K5 0.463 0.617 0.901 1.40 3.10 K6 0.347/ 0.407/ 0.427 0.487 0.992 1.40 2.20 西安 K7 0.585 1.116 1.515 2.68 3.10 K8

0.427/ 0.407/ 0.463

0.487

0.992

1.40

3.00

注：屋顶、外墙项中/前指1、2层建筑，/后指4、6层建筑；外窗

项/前指东西向外窗，/后南向外窗；

K2满足参考文献[8]；K3，K5及K7满参足考文献[9]； K4、K6及K8满足65%节能要求。

变化规律。

25K:0.520K:0.7)Wk15K:0.3(gQ10500246810121416182022t(h)图3建筑热负荷与南向窗墙面积比关系 （现行节能标准，拉萨2层建筑） Fig.3 relationship of heat load to southern window-wall ratio (active code of energy efficiency, 2 layers building in Lhasa ) 602层504层)W406层k(30gQ201000246810121416182022t(h)图4 拉萨地区建筑热负荷与建筑层数关系 （现行节能标准条件下，南向窗墙面积比为0.5） Fig.4 relationship of heat load to layers of building in Lhasa (active code of energy efficiency, window-wall ratio=0.5)

另外，在不同保温条件和有无附加阳光间时模拟得出了拉萨传统单层民居太阳能采暖保证率及集热器实际铺设面积变化规律。限于篇幅，文中只给出部分条件下的建筑热负荷变化规律模拟结果，见图3，4。根据模拟结果，将太阳能采暖保证率随各参数的变化规律总结于表2、表3及表4。

表2：各地太阳能采暖保证率 （南向窗墙面积比为0.35） Table 2 solar fraction in different city (southern window-wall ratio=0.35)

计算条件 节能50% 节能65% 2层 4层 6层 2层 4层 6层 拉萨 132% 73% 50% 170% 92% 64% 西安 45% 25% 17% 64% 29% 20% 西宁

32% 17% 11% 36% 19% 13%

表3：拉萨不同窗墙面积比下太阳能采暖保证率 Table 3 solar fraction under different southern window-wall

ratio in Lhasa

节能要求 50%节能

65%节能 南向窗墙比 0.3 0.5 0.7

0.3 0.5 0.7

2层 129% 143% 155% 168% 171% 191% 4层 73% 81% 85% 92% 95% 104% 6层

50% 56% 59% 63% 66% 71%

表4：拉萨单层传统民居太阳能采暖保证率 Table 4 solar fraction of Single-layer traditional dwelling

building in Lhasa

计算条件 无阳光间 有阳光间 无保温 50%节能 无保温 50%节能 f % 161% 203% 231% 356% s%

59%

34%

41%

26%

注1：s为集热器铺设面积/有效屋顶面积

由表2可见：在同等建筑条件下，拉萨太阳能采暖保证率最高，西宁最小。是因为拉萨的热负荷与西安相差不大，但太阳辐射强度明显高于其他两地；而西宁的太阳辐射强度与西安接近，但由于当地冬季典型日室外气温低，而热负荷大。当地点一定时，层数越高外围护结构面积越大，单位建筑面积所分摊的屋顶集热面积就越小，因此太阳能采暖保证率就越低。而随着建筑保温要求提高，其热负荷降低，太阳能采暖保证率就越高。

根据表3中的数据，随南向窗墙面积比提高，拉萨多层居住建筑太阳能采暖保证率提高；这是因为随着南向窗面积增大，直接收益式被动太阳能得热量增加，事实上降低了建筑热负荷。因此，对于太阳能采暖建筑，突破现行节能标准中窗墙面积比的限值（0.35[9]），增加南向窗面积，并配合窗帘管理，是有利于提高太阳能采暖保证率的。

由表4可见：拉萨地区单层传统民居的屋顶面积完全可满足太阳能采暖保证率达到100%的铺设要求。若设置阳光间，集热器面积仅需占有效屋顶面积的40%左右即可满足采暖负荷要求；若能同时考虑按现行节能标准进行保温，则相应的集热器面积为有效屋顶面积的25%左右即可满足采暖负荷要求。

3 结论

（1）对于在同等条件下的居住建筑，各地的太阳辐射强度决定地区间的太阳能采暖保证率差别。太阳辐射强度高的拉萨太阳能采暖保证率在西安、西宁、拉萨三地中最高。

（2）当保温要求和南向窗墙面积比一定时，太阳能采暖保证率随楼层减少而升高。因此低层建筑更有利于采用太阳能采暖。

（3）当保温要求和楼层数一定时，太阳能采暖保证率随南向窗墙比增大而升高。增加南向窗面积，并配合窗帘管理，有利于提高太阳能采暖保证率。

(4) 拉萨地区单层传统民居的屋顶面积完全可满足太阳能采暖保证率达到100%的铺设要求。若采取保温措施，并设置阳光间时，可明显降低主动太阳能采暖集热器面积。

参考文献

[1] 江亿．我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J]．暖通空调，2005，35(05)：30-40

[2] 熊安华．太阳能低温热水采暖系统在拉萨地区的应用研究[D]．上海交通大学，2008

[3] 潘云钢，金健．太阳能在拉萨火车站供暖系统中的应用[J]．暖通空调，2007，37(06)：53-58

[4] 高金水．太阳能供暖系统分析[D]．天津大学，2005 [5] 张鹤飞．太阳能热利用原理与计算机模拟[M]．西安：西北工业大学出版社，2004

[6] GB50364-2005．民用建筑太阳能热水系统应用技术

规范[S]．中国建筑工业出版社

[7] 董华，周恩泽．太阳能热泵-地板辐射供热系统实验研究[J]．暖通空调，2007，37(01)：106-112 [8] DB54/0016-2007．西藏自治区居住建筑节能设计标准[S]．西藏人民出版社

[9] JGJ26-95．民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）[S]．中国建筑工业出版社

SOLAR FRACTION OF RESIDENTIAL BUILDING IN NORTH-WEST CHINA

By Liu Yanfeng, Yu Yali

Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China

Abstract: Heating loads of residential buildings in Lhasa, Xi'an and Xining under combination

conditions of different insulation, storey and window-wall ratio were analyze. Single-layer traditional dwelling building in Lhasa city also was studied in different conditions. The results showed that: values of solar fraction in different city depend on local solar radiation, and increase with less layers and larger southern window. The collector area of active solar heating system can reduce significantly in single-layer traditional dwelling building with good insulation and sunspace in Lhasa city.

Keywords: residential building；solar fraction；heating；heat load

作者简介：刘艳峰，男，1971年3月，陕西西安人，博士（后），教授，主要从事太阳能采暖研究;西安市雁塔路13号，710055，liuyanfeng@xauat.edu.cn. 基金项目：国家自然科学基金项目（50778144）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1euh.html