西藏偏远地区建筑被动式太阳能系统利用研究

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(1.四川交通职业技术学院，四川 成都 611130；2.成都栖睿机电设备有限公司，四川 成都 610041)

西藏偏远地区建筑被动式太阳能系统利用研究

邓元媛1，周吉日2

(1.四川交通职业技术学院，四川 成都 611130；2.成都栖睿机电设备有限公司，四川 成都 610041)

由于自然条件的限制，西藏偏远地区的建筑缺水少电，现有采暖系统的运行效果不佳。被动式太阳能采暖系统的能源密度较低，只有当围护结构保温较好时，才能有效维持建筑内温度。以隆子县某营业楼建筑为例，在建筑围护结构增加保温的基础上，对其进行了被动式太阳房改造。综合对比了改造前后的节能效果和经济性，该类建筑应用被动式太阳房的条件优越。

偏远地区；保温改造；被动太阳能房；节能效果

0 引言

按照参考文献[1]的规定，西藏大部分属于气候严寒或寒冷地区，随着西藏地区经济的发展和生活水平的提高，自2003年起以拉萨为代表的大部分城市被列入了供暖区域，各企事业单位也陆续开始对偏远县城营业楼进行供暖建设。但是由于长期认识不足，这些地区的绝大多数建筑均未采取任何保温及蓄热措施，导致各建筑的能耗普遍远远高于国家节能标准；同时由于工程所在地的环境特殊以及常规能源的缺乏等原因，采暖系统在应用过程中产生了诸多问题，甚至是系统瘫痪。

西藏作为全国日照时间最长、辐射强度最大的地区之一，利用太阳能这一免费且环保资源的条件得天独厚。该地区作为一片高原净土，利用太阳能资源实现绿色建筑甚至零能耗建筑的目标，终将会被提上日程。太阳能资源具有能源密度较低的特点，只有当围护结构保温性能较好时，才能有效维持建筑内温度。因此太阳能建筑首先必须是保温性能较好的节能建筑。目前太阳能采暖建筑在我国还没有大范围推广，究其原因主要为相对于常规供热采暖系统，太阳能供热采暖系统初投资大(主要是针对保温性能的建筑节能改造，以及太阳能系统自身的投资)。

本文借鉴前期工程的经验与教训的同时，在建筑节能改造的基础上，利用被动式太阳能技术对西藏偏远县城建筑下一阶段的供暖方案进行优化，与此同时对改造后系统的节能效果以及投资回收年限进行分析，以便于用户综合考虑。

1 被动式太阳房简介及在本工程应用中注意的问题

目前对太阳能采暖系统的利用主要为主动或被动式太阳房两类：主动式太阳房是利用安装于屋面或地面等部位的集热装置收集太阳能，然后将能量通过泵或风机输送至各用户的系统。因此其需要一定的能量输入，来驱动系统运行；被动式太阳房是利用合理的建筑朝向、房间布局以及合理的建材选择等，自然的获取和利用太阳能的建筑。该系统的主要优点是系统组成相对简单，没有复杂的设备系统、没有动力装置，因此系统初投资低、不需要进行日常维护。西藏偏远县城建筑环境特殊(在漫长的冬季由于大雪封山，接近半年的时间完全与世隔绝)以及常规能源的奇缺(很大一部分站点，冬季没有稳定的电力及自来水供应)，因此被动式太阳能房无疑是该区域最佳的系统选择。

被动太阳房按照收集太阳能方式的不同，可以分为下列三个大类：

1.1 直接受益式

直接受益式的主要特点为：南向的窗墙比较大，太阳光可透过窗户大量直接照射进室内。南向有玻璃窗的房间，都可以看作是简单的直接受益式太阳房。直接受益式太阳能房如图1所示。

图1 直接受益式太阳房

1.2 集热蓄热墙式

集热蓄热墙式太阳能房的主要特点为：在南向设有垂直的集热蓄热墙，用以吸收穿过采光面的阳光，然后以辐射、传导及对流的形式，将热量释放至室内。为了高效地吸收阳光，墙的外侧一般涂成深色；有时为了延长并稳定集热蓄热墙的热量吸收和释放，会在集热蓄热墙内增加相变材料。集热蓄热墙式太阳能房如图2所示。

图2 集热墙式太阳房

1.3 附加阳光间式

附加阳光间指的是直接获得太阳辐射能量的空间，形同于南向封闭阳台如图3所示。

图3 附加阳光间式太阳房

对于工程应用而言，被动太阳房在设计中应注意以下问题：太阳能的能源密度较低，对围护结构保温性能的改造是其应用前提；相对于新建建筑而言，既有建筑的被动太阳房改造的难度更大。不但同样要考虑到运行效果以及改造成本，还要做到减少对用户的使用造成影响；传统的被动太阳房采暖最大的缺点是受建筑朝向影响，房间昼夜温差大、房间内南北朝向热不平衡等，因此应根据建筑的不同形式选择被动式太阳能系统。

营业楼类建筑的性质决定其均为白天使用，而且要求对既有建筑的改造最小，投资也最省。根据这些要求，直接受益式被动太阳房无疑是最佳的选择。在本工程中，只需将南向各房间的窗墙比改造到0.5左右，便可利用透过窗户的太阳辐射热使这些房间成为被动式太阳房。同时针对被动太阳房采暖的缺点，各房间进深不宜过大(进深从5.1 m增加到8.1 m时，温度降低值约为3℃[3])；在建筑的总体布局上应将需要保证房间温度的，如会议室、营业大厅、办公室等都布置在南向，而将走廊、库房、卫生间等次要房间布置在北向。

2 现有建筑的基本情况

2.1 项目所在地的气候特点

隆子县某营业楼位于拉萨偏远地区，建筑面积420 m2，所在地气象数据如表1、图4。

表1 气象数据

图4 月平均温度

从表1中可见：该地区的采暖期接近半年的时间；全年温度均较低，即使在夏季温度仍低于采暖室内设计温度18℃的要求；该地区的年日照时数高达2 984 hr，太阳能资源极其丰富。

同时根据一期试点工程的系统运行情况，该县城冬季水、电供应不稳定，冬季无法运进常规能源及损坏后需要更换的零部件。

2.2 现有建筑围护结构热工性能分析

根据直接受益式被动太阳房能源密度低的特点，首先应对建筑围护结构的保温性能进行判断。根据规范要求，影响建筑室内热环境与建筑能耗的四个因素为：建筑体型系数、建筑窗墙面积比、围护结构传热系数、建筑门窗的密封性能，对上述四个因素进行计算与分析，得到结果如表2～表5。

表2 体形系数计算结果

从表2的计算结果可以看出，该营业楼建筑的体型系数大于0.3，说明现有建筑的单位面积所对应的外表面积大，热损失大。

表3 窗墙面积比计算结果

从表3的计算结果可以看出，该营业楼的西向的窗墙面积比大于0.35，热损失较大。且南向房间的窗墙比仅为0.19，说明设计者当初未考虑直接受益式被动式太阳能的利用。

表4 围护结构传热系数计算结果

从表4的计算结果可以看出，外墙传热系数比国家标准大5倍左右；屋顶传热系数比国家标准大1.7倍左右。

表5 外门窗传热系数及密封性能

从表5的计算结果可以看出，外门窗传热系数比国家标准高2倍左右；外门窗密封性能很差，远大于国家标准为0.5 h-1的要求。

基于上述系列热工性能计算，可以得出该建筑的热工性能非常差，各项指标均远大于国家对于寒冷地区的限值要求。导致由于维护结构的冷壁面辐射，室内的热环境较差；由于建筑的保温性能很差，建筑能耗非常大。因此针对本工程而言，在进行直接受益式被动太阳房改造工程前，应先增强围护结构的保温性能。

3 现有建筑的被动太阳能房改造

3.1 建筑围护结构保温改造

表6 现有建筑围护结构保温改造方案

考虑到营业楼的能源供应的不稳定，因此应保证在24 h停止采暖的条件下，房间最低温度应不低于5℃(规范要求的防冻温度)。经计算满足此要求时的围护结构保温性能应比国家标准高20%(表6)。

改造后的负荷及能耗如表7。

表7 改造前后的负荷及能耗对比

改造后可节约一多半的能耗及运行费用，而且维护结构节能改造后可以极大地提高室内的热舒适度，进而提高工作人员及顾客的满意度，还可以提高采暖系统的可靠性。

3.2 建筑被动太阳房改造

建筑的非透明围护结构部分通常是由混凝土或砖等热惯性很大的建筑材料组成。因此当温度波动时，伴随着自身的蓄放热过程，可起到温度延迟及衰减的作用。建筑的透明围护结构，通常由投光率较高的透明材料组成。这类材料的特点是自身的热惯性小,太阳辐射透过率大。

被动太阳房主要利用围护结构等存在热惯性，达到将蓄存的能量用来维持建筑内温度的目的。现有建筑非透明围护结构为砖石砌体结构，在进行保温改造后，该重质墙可较好的实现蓄放热的功能。直接受益式被动太阳房的南窗选择是工程的重点，因为该窗在白天必须使太阳辐射顺利的通过，使太阳能在室内蓄存；但在夜间因其为散热面，必须具有良好的保温性能，以维持室内温度。

综合以上因素，现有建筑非透明围护结构进行保温改造后可满足被动太阳房的要求；南窗在采用高透光率玻璃、尽量加大窗户的同时，也应考虑有效的保温措施，必要时应加保温窗帘等。南窗可采用6+12+6 mm中空玻璃或保温型low-E中空玻璃，但不宜采用高遮阳系数的low-E玻璃(见表8)。

3.3 建筑改造经济性分析

表8 原采暖系统与被动太阳房系统改造的经济对比

通过上述一系列分析得出，现有建筑进行节能改造与应用被动太阳能房取暖后，相对于原有系统，不但具有极好的经济效益，还具有良好的可靠性及社会效益。在不考虑原有系统维修成本的情况下，仅需2.4年就可收回比原有系统多投入的资金。

4 结论

进行围护结构保温改造后的直接受益式被动太阳房，是西藏偏远县城营业楼供暖的有效方式，具有良好的节能、经济效益，同时针对该地区的缺水少电的情况，还具有稳定的可靠性。结论如下：

(1)由于太阳能的能源密度较低，围护结构保温改造是其应用前提，保温性能比国家标准高20%后，能耗及运行费用可节约50%以上；

(2)现有建筑非透明围护结构在进行保温改造后可满足被动太阳房的要求；南向应进行改造以增大窗墙比及采用高透光率的保温型玻璃；

(3)在不考虑原有系统维修成本的情况下，仅需2.4年就可收回比原有系统多投入的资金。

[1]中华人民共和国国家标准．公共建筑节能设计标准:GB50189-2005[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]WREN newsletter，Final Report of the World Renewable Energy Congress Ⅶ，Renewable Energy，28，2003：667-682.

[3]王磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[4]王磊,冯雅,曹友传,等.西藏地区太阳能采暖建筑热工性能优化研究[J].土木建筑与环境工程,2013,35(02):86-91.

[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[6]中华人民共和国国家标准．太阳能供热采暖工程技术规范:GB50495-2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7]邢艳艳，刘艳峰，易赛兰.拉萨市民用建筑采暖热源经济性分析[J].节能技术,2008,26(1):41-44.

ResearchofPassiveSolarSysteminRemoteAreasofTibet

DENG Yuan-yuan1,ZHOU Ji-ri2

(1.Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu 611130, China;2.Chengdu Qi Rui Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd，Chengdu 610041, China)

Due to natural conditions, in remote areas of Tibet, building is lack of water and electricity. The operation of the existing heating system is running poorly. Passive solar heating system's energy density is low.Only when the envelope insulation is better, the temperature inside the building can effectively maintain. Taking a business building architecture in Longzi for example, the passive solar reconstruction has been made based on the increasement of heat preservation to the building.By comprehensive comparing the energy efficiency and economy of construction applications before and after reconstruction,it proves passive solar house is in good condition.

remote areas;insulation transformation;passive solar house;energy savings

2013-11-29修订稿日期2014-02-19

邓元媛(1981～),女，本科，工程师，讲师，主要从事建筑节能方面的研究工作。

TK519

A

1002-6339 (2014) 04-0342-04