云南建筑/本期特稿/YUNNAN ARCHITECTURE/SPECIAL ARTICLES 2023.4
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通过在昆明市（温和A区）设计搭建平板型太阳能空气集热器热风供暖系统实验房，对该太阳能供暖建筑的冬季室内热环境参数进行测试分析，研究该系统供暖的实际运行效果。结果表明：在温和A区利用光伏直流风机和空气集热器联合供暖系统的效果明显，日间室内空气温度能够快速提升，集热面积越大，室内空气温度越高，空气集热器内部热容可以延缓夜间温度下降；室内空气相对湿度与空气温度在全天的变化趋势相反，日间室内相对湿度较低，夜间可基本人员满足舒适性要求。建议可优化系统设计，并采取多种主动干预措施以满足全天的供暖需求，该系统适合在低纬高寒地区的农村民居等独栋建筑中进行推广。
温和地区 太阳能 建筑供暖 热环境
1 引言
近年来，太阳能供暖被认为是降低建筑冬季能耗有效且环保的方法之一。随着生活水平的提高，人们对温和地区冬季供暖的需求越来越大，寻求兼顾低碳、经济与高舒适度健康居住环境成为了人们关注的热点[1-4] 。其中，利用太阳能加热空气来提高室内空气温度的方式因其系统结构简单、成本低而受到广泛重视。平板型太阳能空气集热器（以下简称“空气集热器”）可安装在屋面或外墙，适合与建筑进行一体化设计和施工，通过风机可将空气集热器产生的热风热量输送到需要供暖的房间，根据房间大小及房间内需要的舒适空气温度来确定集热面积，以确保相应热量输入[5] 。研究所设计搭建的空气集热器热风供暖系统实验房（以下简称“实验房”）属于小面积独栋建筑，本文利用相关仪器设备对实验房的室内外热环境参数进行测试分析，研究该系统的冬季供暖实际运行效果。2 实验方案
2.1 实验房基本情况
该实验房位于云南省昆明市呈贡区，实验房外观见图1。图1 实验房外观照片
实验房为南北朝向，占地面积约25.5m2 ，占地尺寸为6.0m ×4.2m ×3.0m （长×宽×高），内部净尺寸为5.89m ×4.08m ×2.48m （长×宽×高）。外围护结构构造如下：外墙及屋面：热镀锌钢材+80mm 厚聚苯乙烯泡沫保温板+热镀锌钢材，平均传热系数为0.37W/（m2·k）；外窗（南窗2扇、东窗1扇）：尺寸1.2m ×1.0m×0.005m （高×宽×厚），单层钢化玻璃铝合金推拉窗，平均传热系数为5.8W/（m2·k）；外门（西向）：尺寸1.9m ×0.8m ×0.08m（高×宽×厚），普通冷轧钢板门，平均传热系数为6.5W/（m2·k）。2.2 实验房热风供暖系统设计
实验房的热风供暖系统共使用3块空气集热器，均可自动开关，其中2块安装在南墙外侧，安装倾角为90°，1块安装在南向坡屋面，安装倾角为8°。每块空气集热器结构尺寸为2m×1m×0.1mm （长×宽×厚），采光面积为2m2 。该系统仅采用空气作为传热介质，空气集热器下方设有入风通道，上方设有出风通道，集热器的进、出风通道均通过圆形通风口（Φ 240mm）与房间内部相连接，南向坡屋面的进、出风通道通过保温通风软管与室内连接。此外，在所有出风通道口的位置设有直流排风扇，用于增大空气流速，增强换热，其供电电源为屋顶光伏组件，其输出功率为80W 。实验房的工作原理如图2所示。当太阳辐射加热空气集热器后，集热器内部空气温度上升，光伏组件产生直流电驱动直流排风扇工作，将集热器内部热量通过上出风口排入室内，用以加热室内空气，室内冷空气下沉后进入下进风通道，从而不断循环，使室内温度不断上升。图2 实验房工作原理
2.3 实验测点布置
在实验房外设置风速仪、太阳辐射表、温湿度计等监测室外环境参数。实验房内在水平及垂直方向共布置25个空气温度传感器，具体测点位置见图3和图4，每个水平测点位置上方均布置5个垂直测点，高度分别距离地面0.1 m 、0.5 m 、1.1m 、1.5m 、1.7m ，分别对应人体站立时脚踝、站立时膝盖、坐姿时头部、站立时胸部以及站立时头部的高度。另外，还同时监测室内空气相对湿度、室内空气流速以及房间地板、天花板、墙面等壁面温度等参数。图3 水平方向测点布置示意图
图4 垂直方向测点布置示意图
2.4 实验内容
由于实验房室内热环境主要受天气条件、空气集热器热源开启方式、集热面积、送风方式、太阳辐射等因素影响，因此本研究设计了无热源及利用空气集热器供暖的6种不同工况实验，为避免太阳辐射的影响，除工况5，其余所有工况均对外窗采取遮阳措施，具体实验工况设置的边界条件如表1所示。其中，无热源工况是指实验在不依靠任何额外供暖方式的情况下进行；工况1与工况2对比研究在只打开坡屋面2m2 空气集热器的情况下，关闭或开启直流风机对室内热环境的影响；工况2与工况3对比研究只打开坡屋面2m2 空气集热器或只打开南墙立面4m2 空气集热器的室内热环境区别；工况4研究打开全部6m2空气集热器的室内热环境；工况5在工况4的基础上，研究所有外窗不遮阳情况下的室内热环境。![]()
3 实验结果分析
3.1 不同工况下室内外空气温度对比
在冬季晴好天气条件下，对6种工况进行连续实验，太阳辐射及室外空气温度变化情况基本一致，室外空气温度的变化范围为7.5℃~17.5℃，日平均气温为11.6℃。室内空气温度为实验房内25个空气温度测点的平均值，每个工况测试时间均从第1天08：00到第2天07：00，连续累计24h 。不同工况下全天室内外空气温度变化曲线如图5所示。从无热源工况与室外空气温度的曲线对比可知，无热源工况的室内空气温度与室外空气温度的变化趋势一致，且温度较低，说明温和A区，特别是昆明市在冬季存在一定的供暖需求。通过工况1和工况2的对比发现，光伏直流风机在日间能够促进空气换热，比无风机情况下提升2℃~3℃的室内温度，说明光伏组件、直流风机和空气集热器结合的这种零能耗系统对促进室内供暖有积极作用。工况2、3、4的对比说明，集热面积越大，室内空气温度越高，温度变化范围也越大，除无热源工况，其他工况的室内空气温度在12：00之后均达到20℃以上，满足人体热舒适需求。所有工况的最高温度均在15：00左右达到，但是工况3、4的最高室内空气温度超过35℃，并且在14：00~17：00之间均高于30℃，说明集热面积过大易导致日间过热现象。因此，对于不同建筑面积的房间采用合适配比的空气集热器采光面积，室内空气温度能够迅速提升，在温和A区利用空气集热器进行供暖是可行的。另外，在夜间无太阳辐射的情况下，仅靠围护结构及室内空气的热容来维持夜间室内空气温度较难，夜间室内温度比白天降低较多，但是所有加入空气集热器的工况在夜间的室内空气温度均高于无热源工况，并能延缓温度下降趋势，这是由于空气集热器内部热容散热的作用，并且集热面积越大，则夜间室内空气温度相对越高，舒适性越好。工况5的数据说明在热源过剩的情况下，如果外窗不遮阳，晴好天气条件下的太阳辐射会大大提高日间室内温度，因此仍需注意集热面积配比偏大和较好太阳辐射所导致的过热问题。但是，夜间室内空气温度数据表明，工况5的最低室内空气温度比工况4低3.1℃，是因为工况4的外窗进行了遮阳处理，相当于进行了一定程度的保温，而工况5未做遮阳保温，夜间室内热量易通过围护结构散出所导致，因此建议温和A区冬季夜间需要关窗、关窗帘，以加强保温。3.2 不同工况下室内外空气相对湿度对比
6种工况在连续实验的情况下，室外空气相对湿度的变化趋势基本一致，变化范围为65.2%~14.6%，日平均值为41.6%。图6为不同工况下全天室内外空气相对湿度变化曲线。从图6和图5的对比可以明显看出，室内空气相对湿度的全天变化趋势与室内空气温度的变化趋势正好相反，不同工况下的室内空气相对湿度在实验开始时08：00最大，在16：00左右均达到最小值。相对湿度的大小与水蒸气压力和空气温度有关，当气温升高时，加速水分蒸发，空气中水蒸气分压力（绝对湿度）增大，此时饱和水蒸气随温度升高而增大的幅度更大，使得相对湿度反而减小。图5 不同工况下全天室内外空气温度变化
图6 不同工况下全天室内外空气相对湿度变化
无热源工况的全天室内空气相对湿度较高，舒适性较好，日平均值为53.3%，比室外空气相对湿度要大。工况1和工况2的对比说明由于光伏直流风机的作用，随着日间室内空气温度的加速上升，导致工况2在15：00~21：00之间的室内相对湿度低于不开风机的工况1。从工况2、3、4的相对湿度曲线对比可以明显看出，集热面积越大，日间室内空气相对湿度越低，工况4在16：00时甚至只有11.4%。工况5的数据说明入射到室内的太阳辐射会降低全天的室内空气相对湿度水平，在相同6m2 集热面积的情况下，工况5不遮阳比工况4遮阳情况下的全天室内空气相对湿度低5.7%。从以上分析可知，除无热源工况，其余实验工况的在日间的相对湿度普遍较低，人体感觉偏干燥，未达到人体热舒适的需求，因此在白天建议采用加湿器等人为措施来提高室内相对湿度水平。但是，各工况在夜间21：00~07：00（第2天）的相对湿度均不低于民用建筑室内热湿环境评价标准规定的冬季室内空气相对湿度不低于30%的要求[6] ，人体热舒适感觉良好。4 结论
通过在昆明市（温和A区）设计搭建空气集热器热风供暖系统实验房，进行无热源与利用空气集热器供暖的6种不同工况实验，对实验房的室内外空气温度、湿度等热环境参数进行测试分析，研究该系统的冬季供暖实际运行效果，得到以下结论：1） 温和A区在冬季有一定的供暖需求，光伏直流风机和空气集热器联合供暖系统的效果明显，在日间能够显著提升室内空气温度。光伏直流风机能够促进空气换热，空气集热器的集热面积越大，则日间室内空气温度越高。夜间的室内空气温度下降较快，但空气集热器内部热容可以延缓温度下降，且集热面积越大，夜间舒适性越好。2）室内空气相对湿度与空气温度在全天的变化趋势相反。除无热源工况，其余实验工况的日间相对湿度相对较低，人体感觉干燥；但是，各工况夜间相对湿度均高于冬季室内空气相对湿度的标准要求，人体热舒适感觉良好。3）晴好天气条件下，集热面积与建筑面积的配比偏大，以及较好太阳辐射易导致室内空气温度过热、相对湿度降低，特别是在下午时段内无法满足热舒适需求，因此还需进行更加完善的系统设计，并考虑主动加入辅助热源、储能装置、新型保温材料、增湿装置、遮阳装置等措施，以满足全天的供暖需求。4）本研究所设计搭建的平板型太阳能空气集热器热风供暖系统对改善温和A区冬季室内热环境状况的作用明显，该系统结构简单、成本低，无需外部能源供应，易于与建筑进行一体化结合，特别适合在低纬高寒地区的农村民居、学校宿舍、临时用房等独栋建筑中进行推广，形成被动式甚至零能耗建筑，为建筑节能领域的“双碳”目标作出相应贡献。参考文献
[1] 崔跃，王志浩，耿海波.云南省温和地区发展被动房的若干思考[J].暖通空调，2017，47 （10）：1-5.
[2] 汪爱平，刘涛，崔跃.试论温和地区暖通空调节能设计[J].暖通空调，2012，42 （05）：36-40.
[3] 徐冰峰，冯燕，周明.昆明住宅建筑夏季室内环境状况的统计与分析[J]. 有色金属设计， 2006（01）：15-20.
[4] 徐冰峰，余丽霞，冯燕.昆明住宅冬季室内环境状况调查分析[J]. 昆明理工大学学报（理工版），2006 （05）：65-70.
[5] Agathokleous R， Barone G， Buonomano A，et al.Building façade integrated solar thermal collec⁃tors for air heating：experimentation， modellingand applications[J].Applied Energy.2019， 239：658-679.
[6] GB/T 50785-2012，民用建筑室内热湿环境评价标准[S].
【作者信息】
李 芮， 云南赛黔科技有限公司，工程师
丁 祥， 云南师范大学太阳能研究所，实验师
林 婵， 云南建筑技术发展中心，高级工程师
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