高原地区太阳能资源丰富,具有大规模开发利用的潜力 ^[1,2]。高效、高质地利用太阳能,建设低能耗的高原建筑是解决高原供暖问题的重要发展方向。被动太阳能技术具有节能、经济和环保的优势,被认为是高原建筑最适宜的供暖方式 ^[3]。直接受益窗结构简单、实用性强,可利用进入室内太阳能的60%～70%,是我国被动太阳能应用中最常见的技术 ^[4]。但相关研究表明:我国被动太阳能建筑由于蓄热性能差,导致夜间室内空气温度低至8～10 ℃ ^[5,6],严重偏离了夜间睡眠热舒适要求(睡眠状态热舒适温度为23 ℃ ^[7])。因此,解决建筑围护结构得热快和蓄热慢之间的矛盾,实现热量的“移峰填谷”,降低室内昼夜温差,是高原地区被动太阳能建筑技术值得研究的课题。

　　 本文旨在重点分析地板蓄热性能强化方法,以解决传统被动建筑夜间室内温度较低的问题。

　　 应用软件EnergyPlus对实际被动太阳能建筑“暖巢一号”(项目概况详见文献[6])进行热性能分析,结果如图1所示。一方面,通过直接受益窗照射到地板的太阳辐射热一部分被地板吸收,另一部分通过反射、对流和长波辐射方式散失,日照时间内地板平均蓄热量占地板表面接受太阳辐射量的53%,散热量占47%;另一方面,不受太阳直射的壁面,包括内区地板和其他墙面,主要依靠升温后的室内空气对其加热,由于自然对流换热系数(8.7 W/(m²·℃))及地板表面与室内空气间的动态换热温差(2～3 ℃)较小,导致蓄热缓慢。

　　 常规增强地板蓄热性能的思路主要有以下2种。

　　 第一种方案基于传热第三类边界条件:已知任何时刻物体边界与周围流体间的换热系数k及周围流体温度t_f0,可通过增大换热系数k和地板表面温度t_s与室内空气温度t_f之差,强化蓄热性能。

　　 第二种方案根据传热第二类边界条件提出,采用光伏特朗勃墙(Trombe wall)直驱电热膜地板供暖,利用光伏板发电直接通入预埋在地板中的电热膜定热流加热地板。

　　 本文选用定热流方式强化蓄热,原理如图2所示 ^[8]。

　　 白天,打开室内回风口风阀和进风口风阀,太阳能光伏板接收到太阳辐射能,一部分转化为电能,通过电线和电热膜对地板层定热流加热,将电能转化为热能,全部储存在地板层;另一部分转化为热能,使光伏板背面温度升高,加热空气流道中的空气,并与室内形成自然对流,起到对室内空气加热和光伏板降温的作用,既提高发电效率又回收热量用于加热室内空气。夜间,关闭室内回风口风阀和进风口风阀对室内起到保温作用,同时将白天蓄积在地板层的热量慢慢散发至室内进行供暖。

　　 为验证直接受益窗与光伏驱动电热膜地板组合式供暖技术电热膜地板供暖的应用效果,以阿坝县某小学宿舍楼为原型,对该技术进行了模拟分析。

　　 项目所在地川西阿坝藏族羌族自治州阿坝县平均海拔3 491 m,气候分区属于高海拔严寒地区,供暖期为229 d,供暖期平均干球温度为-2.2 ℃,极端最低气温为-36.0 ℃。图3显示了月平均干球温度和月总太阳辐照量,可见最冷月平均温度为-7.7 ℃,12月总太阳辐照量最低,为107.9 kW·h/m²。冬季典型日气象参数特性如图4所示,昼夜温差达到21.3 ℃,太阳辐照度最大为639 W/m²。

　　 建筑高度为11.68 m,地上3层,总建筑面积为1 407 m²。建筑效果见图5,宿舍房间均朝南向布置,北向为活动空间及其他功能区,宿舍房间尺寸为3.3 m×6.5 m×3.2 m(开间×进深×高度)。外墙构造由内到外依次为:240 mm页岩砖、80 mm聚氨酯保温层、120 mm页岩砖。特朗勃墙采用聚苯乙烯板(EPS)外保温,中间层地板构造为120 mm钢筋混凝土+电热膜+70 mm混凝土。1层地板采用挤塑板(XPS)板外保温,屋面采用EPS外保温。南向外窗尺寸为2.1 m×3.2 m(宽×高),由外侧单层玻璃窗和内侧Low-E中空玻璃窗构成,具有阶跃传热特性 ^[6],南向外墙铺设光伏板,尺寸为0.6 m×3.2 m(宽×高),每个宿舍房间配置2块,光伏板与南向外墙间留有空气流道。为提高光伏板太阳辐射热接收量,结合建筑美学可接受范围,最终确定光伏板以84°倾角安装。

　　 由于项目处于施工阶段,不具备测试条件,本文采用EnergyPlus软件进行仿真模拟。

　　 宿舍楼几何模型如图6所示,围护结构热工参数及其他模型参数见表1。控制策略为:供暖季晴天10:00—18:00开启直接受益窗内窗与空气流道风阀,其余时间关闭。模拟室外气象参数选取四川省红原县典型年气象数据。

　　 模拟分实验组和对照组:实验组采用光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术,外窗采用具有阶跃传热特性的直接受益窗 ^[6];对照组未采用光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术,仅采用具有阶跃传热特性的直接受益窗,其余模拟参数均与实验组一致。

　　 通过全年动态模拟得出房间内空气和室内地板表面温度变化特征。选取2层中部房间为典型房间进行分析,结果如图7所示。由图7可以看出:实验组白天室外最高气温为5.1 ℃时,室内最高温度达到23.2 ℃,夜间室外最低气温为-20 ℃时,室内最低温度为17 ℃,室外空气昼夜温差为25.1 ℃情况下,室内空气昼夜温差约为6.2 ℃;对照组室内最高温度达到20 ℃,夜间室内最低温度为15.5 ℃,室内空气昼夜温差为4.5 ℃;光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术白天最高可提高房间温度约3.2 ℃,夜间最低可提高房间温度约1.5 ℃。这是因为实验组光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术为房间额外提供了热量,使得房间空气温度相对升高。

　　 在直接受益窗和地板电热膜共同作用下,实验组白天地板表面温度快速升高,5 h内从最低温度21.5 ℃升高到最高温度26.3 ℃,随后经过19 h放热过程,逐渐降至最低温度。地板表面温度完全满足地板辐射供暖的舒适性要求,同时也不会造成地面局部皲裂等现象。对照组白天地板表面温度最高达到23.8 ℃,夜间地板表面最低温度为19.7 ℃。光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术白天最高可提高地板表面温度约2.5 ℃,夜间最低可提高地板表面温度约1.8 ℃。

　　 图8显示了典型房间室内空气热平衡分析结果。从图8可知:室内空气失热量最大部分为新风耗热量,新风渗透耗热量最大值为643 W·h;其次为窗户对流散热量,夜间内窗关闭时对流散热量仅为40 W·h左右,白天内窗开启时对流散热量为100 W·h。

　　 图8中的非透明围护结构热流量指与室内空气接触的地板、顶棚和墙体与室内空气的对流换热量。夜间,随着室内空气温度降低,非透明围护结构向室内散热,散热量不断增加,早晨散热量最大为659 W·h;室内热源得热主体部分为人员散热量;光伏特朗勃墙热流量为光伏板背面散热量被流道内空气吸收的热量,热空气通过自然对流方式送到室内部分的峰值热流可达328 W·h。

　　 统计供暖季建筑总得失热量,结果如图9所示。由图9可知,墙体保温对建筑性能进一步提升作用有限,控制新风渗透应作为减少建筑失热的主要研究方向。

　　 白天太阳辐射较强时开启直接受益窗内侧Low-E中空玻璃窗,太阳辐射透过外侧单层透明玻璃为房间提供热量;夜间无太阳辐射得热时关闭内侧Low-E中空玻璃窗,增加窗户热阻,减少室内热量通过对流和长波辐射被玻璃吸收散失到室外。从图10可以看出:窗户白天得热量较大,单位面积窗户峰值净热流量可达到366 W·h/m²;夜间窗户失热量同样较大,基本保持在-45 W·h/m²左右。全天单位面积直接受益窗累计得热量为1.487 kW·h/m²。

　　 相对直接受益窗而言,白天光伏特朗勃墙集热效率较低,夜间热量同样较少。白天光伏特朗勃墙集热分为光伏板发电部分和光伏板散热被空气流道内空气吸收送进室内部分,并有一部分热量被墙体吸收,单位面积峰值净热流量为150 W·h/m²。全天单位面积光伏特朗勃墙累计净得热量为0.900 kW·h/m²。

　　 对比得出,直接受益窗单位面积得热量高于特朗勃墙。所以该项目除承重墙以外全部采用直接受益窗。

　　 图11显示了建筑典型房间的地板动态热流特性。由图11可以看出,地板蓄热主要来源为通过直接受益窗的太阳辐射和地板内部由光伏板供电的电热膜发热,下午太阳辐射得热量最大可达2 000 W·h,电热膜最大发热功率可达318 W·h,两部分得热量均随太阳辐照度变化。

　　 地板失热主要包括:提升室内空气温度的对流部分和被室内其他壁面吸收的长波辐射部分。对流散热主要受室内空气温度和地板表面温度影响,由于空气比热容小于混凝土,白天,室内空气温度升速较快,对流换热量逐渐降低;夜间,空气温度降速较快,对流换热温差增大,导致对流换热量增大。地板长波辐射失热取决于地板和室内其他壁面的表面温度,全天波动较小。

　　 地板蓄热量计算式为

　　 $q{}_{\text{s}\text{t}}=q{}_{\text{l}\text{w}}+q{}_{\text{c}\text{o}}+q{}_{\text{s}\text{o}}+q{}_{\text{i}\text{s}}+q{}_{\text{e}\text{f}}(1)$

　　 式中 q_st为蓄热量;q_lw为长波辐射得热量;q_co为对流得热量;q_so为太阳辐射得热量;q_is为室内热源辐射得热量;q_ef为电热膜得热量。

　　 图12显示了室内温度、地板蓄热量及水平面单位面积辐照量三者的动态变化特性。由图12可看出:地板蓄热时间为10:00—18:00,其余时间地板向外放热,蓄热波动趋势与太阳辐射趋势一致,13:00地板峰值蓄热速率可达1 720 W·h;夜间地板稳定输出热量,放热速率在550 W·h上下波动,地板表面昼夜温差为4.7 ℃;室内空气温度10:00开始升高,16:00上升至最高温度,说明地板蓄热特性使室内温度波动滞后4 h,并将室内空气昼夜温差降低至5.7 ℃。

　　 具有阶跃传热特性的直接受益窗 ^[6]经过长时间应用证明其有较强的实用性。在供暖季利用光伏板发电直接通入地板内电热膜,多余电量经过逆变器转换后满足建筑其他用电需求,光伏板背面空气流道与室内形成自然对流,加热室内的同时可为光伏板降温,提升光伏板发电效率。当出现连续阴雨天气时,可直接利用市电加热电热膜保证室内温度。夏季无供暖需求时,光伏板也能为建筑提供能源,此时,光伏板背面空气流道与室外空气连通,以自然对流形式为光伏板降温。系统冬夏季均可使用,避免了设备闲置,系统灵活性较高。系统主要部件为光伏板和电热膜,设备造价较低,设备寿命可达25 a。直接受益窗与光伏驱动电热膜地板组合式供暖系统构造简单、基本免维护。

　　 1) 典型房间白天室内空气温度介于17.0～23.2 ℃,地板表面温度介于21.0～26.0 ℃之间,完全满足地板辐射供暖的舒适性要求。光伏特朗勃墙直驱电热膜地板供暖技术可提升室内空气温度1.5～3.2 ℃,提升地板表面温度1.8～2.5 ℃。

　　 2) 单位面积直接受益窗日累计净得热量为1.487 kW·h/m²,单位面积光伏特朗勃墙日累计净得热量为0.900 kW·h/m²。对比得出直接受益窗对室内集热量贡献率更高。川西高原地区被动太阳能建筑应尽量增加直接受益窗面积以提高集热量。

　　 3) 供暖季典型房间新风渗透热损失占房间总失热量的60%,非透明围护结构传热损失占比仅为6%。可见墙体保温对建筑性能进一步提升作用有限,控制新风渗透应作为减少建筑失热的主要方向。

　　 4) 地板峰值蓄热速率可达1 720 W·h,夜间放热速率在550 W·h上下波动,地板蓄热特性使室内温度波动滞后4 h,并将室内空气昼夜温差降低至5.7 ℃,较好地起到了移峰填谷的作用。

　　 5) 直接受益窗与光伏驱动电热膜地板组合式供暖技术具有灵活性高、寿命长、造价低及免维护等优势,在高原地区有较强的适用性。