高原地区被动式太阳能采暖房关键技术研究

邸克亮 耿欣欣

（1.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北建研建筑设计有限公司，河北 石家庄 050021）

0 前言

随着社会的进步与发展，人类对于生活的质量要求要求越来越高，各类更适宜人类居住的建筑形式与日俱增，同时人们对于居住房屋的室内舒适度的要求也随着经济文化水平的提高而更加严格，从而导致建筑能耗急剧增加。当前我国已经承诺到2030 年前实现碳达峰，在2060 年前实现碳中和，这是中国向世界的承诺，中国是有责任和担当的大国，如何积极推进减少碳排放成为未来的主流。目前我国建筑能耗约占整个社会终端能源消耗量的近三分之一，我国居民住宅采暖占了较大比重。中国国土空间幅员辽阔，我们所处的各个地区气候差异显著，传统供热方式和设计方案并不适合如西藏阿里等极高海拔地区，这类区域环境保护压力很大，传统能源匮乏，冬季气温特别低，生活在这里的人民保守风寒困扰，寻找一种适合极高海拔地区的新型供热方式成为关注的热点。如何针对不同区域的经济社会发展水平、气候环境、资源环境等条件，制定适宜的建筑形式和采暖形式变得日趋重要。作为建筑行业从业人员，积极改进建筑设计理念、积极寻求绿色低碳的建筑类别，从而减少我们的建筑能耗，提高居住建筑的室内热舒适度，减少建筑对传统化石能源的消耗，达到节能降耗，降低碳排放，已成为我国社会亟待解决的重大问题。

西藏自治区的阿里地区是我国太阳辐射资源最富集的地区之一。这里海拔高，晴天较多，昼夜温差大，日照时间较长，空气稀薄，空气中含有的尘埃量较少，透明度高，太阳辐射穿过大气层时损失量小，从而该地区的地面辐射强度远远高于其它地区，根据中国气象局风能太阳能资源评估中心提供的全国太阳能资源分布图可知，藏西南地区部分地区年辐射总量超过9250MJ/m2。由于雨季主要集中在夏季，冬季几乎都是晴天，很少有阴雨天气。阿里地区位于中国西南边陲、西藏自治区西北部、青藏高原西南部，辖域总面积34.5 万平方公里，平均海拔4500m。全地区分为高原温带季风干旱气候区、高原寒带季风半干旱气候区和高原寒带季风气候区。日照充足，其中狮泉河镇日照时数年3545.5h，为西藏最高。阿里地区丰富的太阳能资源为采用太阳能作为当地采暖的重要能源形式提供了便利条件。我国按照各地区接受太阳总辐射量情况分区如图1 所示。

图1 全国太阳能资源分布图

太阳能建筑是能够在冬季集取、蓄存和分配太阳热能的建筑建筑形式，太阳能建筑主要通过结合周围所处的环境，设计合理布置建筑朝向，选取合适的建材和建筑构造等方面来实现此功能。目前的太阳能建筑从利用太阳能的方式上可以分为：直接受益式太阳能建筑、集热蓄热墙式太阳能建筑、附加阳光间式太阳能建筑、组合式太阳能建筑等。

目前西藏自治区大多数村镇建筑的围护结构形式均采用以砌块类为主的砖混结构，以阿里地区为例，建筑的外围护结构形式多数采用灰砂砖、混凝土小型空心砌块、加气混凝土砌块等。过去，由于西藏居住建筑的设计一直以《西南建筑标准图集》为依据，冬季没有考虑采暖的情况，没有很好地结合当地气候条件，充分利用丰富的太阳能资源，居住建筑围护结构缺乏科学的热工设计，外墙保温形式及厚度设置不合理。

被动式太阳房的形式很多，在西藏阿里地区主要包括附加阳光间和特朗勃墙等形式。附加阳光间是直接受益式和集热蓄热墙式的混合产物，是在带有南向窗的采暖房间外使用玻璃等透光材料围合成一定的空间。特朗勃墙是被动式太阳房的重要形式，在西藏地区应用很多。

1.1 理论分析

借助于计算模拟技术将有效地预测室内环境在采用被动式太阳能房系统时可能出现的状况，从而为合理的选择被动式太阳能房结构与优化方案的提供准确的数据支撑。

随着计算机技术的发展，建筑仿真模拟技术已广泛应用于建筑环境等相关领域，贯穿于建筑设计的整个生命周期里，其中建筑冷热负荷的计算及其冷热源设备的能耗和经济性分析是其重要的内容。

由清华大学研发的DeST 软件为建筑环境和控制系统的动态仿真模拟提供了很好的解决方案，它可以用来详细分析建筑物的热工特性和模拟系统性能，较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。

西藏阿里地区典型附加阳光间如图1.1 所示。在建筑外侧设置阳光房，实际上就是增加了一个附加阳光间，它是将直接受益式建筑和集热墙式建筑相结合而来的。其基本结构是将附加阳光间建在房子南侧，中间用有一面墙(有门、窗或通风孔)把房子与阳光房隔开。在白天，太阳光透过阳光间透明盖板，一部分直接进入阳光间，一部分被阳光间地面和公共墙吸收并转化成热量，然后通过热空气循环和墙体的传导进入采暖房间，起到供暖作用。因此，阳光间不仅可以在白天供给房间以太阳热能，还可以作为一个起缓冲作用的空间，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境。

图1.1 多层阳台附加阳光间

1.2 数值结果分析

将图1.1 所示阳光间建立物理模型如图1.2 所示，长4.08m，宽2.4m，高3m，南墙上窗户尺寸为2.4m×1.7m。

图1.2 附加阳光间结构图

阳光间模拟过程为设为稳态模拟，图1.3 为室外温度与阳光间内模拟温度对比图。

图1.3 室外温度与阳光间内温度对比图

由图1.3 可知，增设阳光间后，阳光间内温度明显升高。15:00 温升最高，内外温差达到4.53℃，18:30 温升最小，达到3.31℃。附加阳光间能够加热阳光间内空气，从而提高房间温度，间接起到向房间内供暖的作用。

图1.4 和图1.5 分别展示了附加阳光间后，典型时刻阳光间内中心截面空气层的速度与温度分布图。

图1.4 空气层中心截面速度矢量图

图1.5 空气层中心截面温度分布

由图1.4 和图1.5 可知，由于吸收太阳光辐射能的原因，阳光间内空气温度上升密度降低，会在阳光间内形成类似自然对流的循环过程，并且导致了较为明显的温度分层现象。由图1.4 和图1.5 还可知，自然对流的速度很小，对舒适性影响很小，但温度分层较为明显，最大温差可达3.7℃。

集热蓄热墙系统的一种发展形式为附加阳光间式被动太阳能建筑，如图1.6 所示，是在房间南墙设置阳光间。阳光间的围护结构为玻璃等透光材料。冬季阳光间即可向房间内供热，又可作为缓冲，减少房间的热损失；夏季利用反射窗帘，减少入射太阳辐射，从而构建舒适的居住环境。阳光间可做生活间，也可做阳光走廊或门斗，在其内部种植蔬菜和花草，美化环境，增加经济收益，缩短回收年限。附加阳光间外光立面增加了建筑的造型美，其热效率高于集热蓄热墙式，缺点是造价较高，阳光间内栽种植物易导致湿度大、有气味。

图1.6 附加阳光间原理图

2 结语

总体而言，附加阳光间可以较为显著的改善阳光间内温度环境，在经济条件允许的情况下为被动式太阳房的有效形式，对于太阳能的利用有一定的作用。