淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)冬季室內(nèi)供暖試驗(yàn)

楊婷婷，姜曙光，楊 駿，張俊龍，楊亮亮，宋旭鵬

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淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)冬季室內(nèi)供暖試驗(yàn)

楊婷婷1，姜曙光1※，楊 駿1，張俊龍1，楊亮亮2，宋旭鵬3

（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832000；2. 中建三局集團(tuán)有限公司，武漢430064； 3. 塔城市裕民縣機(jī)關(guān)事務(wù)管理局，塔城834800）

該文提出一種淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)，并在石河子地區(qū)對(duì)采用該系統(tǒng)的被動(dòng)式太陽(yáng)房進(jìn)行了供暖測(cè)試研究，對(duì)比分析了試驗(yàn)房在不同供暖模式（C1對(duì)比房無(wú)任何采暖措施的模式、C2試驗(yàn)房未開(kāi)地下室頂板通風(fēng)口的供暖模式、C3試驗(yàn)房采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的供暖模式）、不同天氣狀況（晴天、陰天）下的室內(nèi)熱環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果顯示：試驗(yàn)房C3模式下室內(nèi)平均溫度比對(duì)照房室內(nèi)平均溫度高6.45 ℃，日較差為3.5 ℃；晴天時(shí)，試驗(yàn)房白天室內(nèi)溫度有5 h超過(guò)了12 ℃；陰天時(shí)，試驗(yàn)房室內(nèi)外溫差仍然達(dá)到9.52 ℃；當(dāng)室外天氣狀況為晴天且空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值情況下，試驗(yàn)房在采暖期內(nèi)10月、11月、及次年的3月、4月，可僅依靠淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)滿足室內(nèi)溫度的要求，節(jié)能效果顯著。

供暖；太陽(yáng)能；溫度；淺層地?zé)崮埽患療釅?；地下?/p>

0 引 言

近年來(lái)建筑業(yè)所產(chǎn)生和消耗的能耗占社會(huì)總能耗的百分比在不斷增大，據(jù)國(guó)家部門統(tǒng)計(jì)，中國(guó)既有建筑中97%都是高耗能建筑[1-3]，建筑能耗已經(jīng)占到社會(huì)總能耗的33%，可以折算成11億t標(biāo)準(zhǔn)煤，隨著城市化進(jìn)程的加快，中國(guó)建筑能耗占能源總消費(fèi)量比例最終將上升至35%左右[4]。尤其是在中國(guó)西北嚴(yán)寒地區(qū)的農(nóng)村住宅，由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差、供暖系統(tǒng)和熱傳遞效率低，導(dǎo)致建筑采暖能耗過(guò)高[5]。被動(dòng)式太陽(yáng)房是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封要求低、造價(jià)低廉、不需要防凍等特點(diǎn)[6]的一種特殊節(jié)能建筑，非常適合于該地區(qū)住宅的非集中供暖。然而，在被動(dòng)式太陽(yáng)房發(fā)展中出現(xiàn)了熱穩(wěn)定性差、舒適度不高的問(wèn)題[7]，其主要原因是太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和分散性。針對(duì)以上問(wèn)題，學(xué)者們開(kāi)發(fā)和研究了許多與太陽(yáng)能空氣集熱相匹配的建筑蓄熱技術(shù)，例如太陽(yáng)能墻[8-12]、太陽(yáng)能耦合礫石床蓄熱系統(tǒng)[13]、被動(dòng)式太陽(yáng)房四周圍掩土體[14]、太陽(yáng)能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)[15-21]等技術(shù)。

淺層土壤的溫度相對(duì)穩(wěn)定，全年波動(dòng)小，其溫度波動(dòng)隨地層深度增加而出現(xiàn)衰減趨勢(shì)，且具有時(shí)間上的延遲性。在冬季，因?yàn)闇囟炔ǖ倪@種衰減及延遲效應(yīng)，使地層深處的溫度處于較高的數(shù)值[22]。對(duì)于石河子地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，年日照時(shí)數(shù)在2 721～2 818 h[23-26]，及當(dāng)?shù)剞r(nóng)村建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差、采暖能耗高的特點(diǎn)，可以考慮合理設(shè)計(jì)地下室，利用其周圍淺層土壤溫度穩(wěn)定的特性，來(lái)補(bǔ)償太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性。聯(lián)合太陽(yáng)能集熱墻，提高在冬季夜間或陰雨天的室內(nèi)溫度，進(jìn)而改善冬季太陽(yáng)房的供暖效果。

基于以上分析，本文提出了一種淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)，并在石河子地區(qū)建成了1∶1的實(shí)體模型。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)房和對(duì)比房實(shí)測(cè)研究，分析試驗(yàn)房在不同供暖模式（C1對(duì)比房無(wú)任何采暖措施的模式、C2試驗(yàn)房未開(kāi)地下室頂板通風(fēng)口的供暖模式、C3試驗(yàn)房采用淺層地?zé)崮苈?lián)合太陽(yáng)集熱墻系統(tǒng)的供暖模式）、不同天氣狀況（晴天、陰天）下的室內(nèi)熱環(huán)境，從而為新疆嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)被動(dòng)式太陽(yáng)房冬季供暖提供簡(jiǎn)單實(shí)用的技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 氣候特點(diǎn)

石河子市位于天山北麓中段，古爾班通古特沙漠南緣（84°58′－86°24′E，43°26′－45°20′N），屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季長(zhǎng)而寒冷，夏季短而炎熱，全年降水稀少，氣候干燥。根據(jù)石河子氣象資料統(tǒng)計(jì)：年平均氣溫在7～8 ℃，最冷月出現(xiàn)在1月，月平均溫度為?15.3 ℃，月平均最低溫度為?20.8 ℃；最熱月出現(xiàn)在7月，月平均溫度為23.6 ℃，月平均最高溫度為32.8 ℃，各月平均氣溫如圖1所示。

圖1 石河子市年氣象數(shù)據(jù)

1.2 2016-2017年度采暖期概況

石河子地區(qū)氣候分區(qū)均為嚴(yán)寒C區(qū)，采暖期為當(dāng)年10月15日至次年4月15日[27]。根據(jù)《被動(dòng)式太陽(yáng)房熱工技術(shù)條件和測(cè)試方法》（GB T15405-2006）[28]和新疆農(nóng)村采暖水平實(shí)際情況，室內(nèi)基礎(chǔ)溫度宜定為14 ℃[29]，考慮到此次試驗(yàn)是在無(wú)人居住、無(wú)內(nèi)熱源狀態(tài)下測(cè)試的，所以基礎(chǔ)溫度可稍微降低定為12 ℃。根據(jù)中國(guó)環(huán)境檢測(cè)總站石河子市艾青詩(shī)歌館實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知：2016－2017年度采暖期內(nèi)，城市日AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值天數(shù)只有89 d，占整個(gè)采暖期的46.99%，在最冷月1月城市日AQI全為三級(jí)及三級(jí)以上。由下表1統(tǒng)計(jì)該采暖期內(nèi)各月份晴天天數(shù)為：10月份15 d，11月份23 d，12月份11 d，1月份0 d，2月份4 d，3月份27 d，4月份15 d。

表1 石河子市2016－2017年度采暖期內(nèi)空氣質(zhì)量及天氣狀況統(tǒng)計(jì)表

1.3 試驗(yàn)房介紹

試驗(yàn)房位于石河子市近郊石河子大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)二連，正南向布置，建筑面積為176.4 m2，其平面布置圖如圖2所示。地上一層，層高為3.0 m，地下一層，層高為2.8 m，室內(nèi)外高差為0.3m，地下室頂板標(biāo)高?0.1 m，基頂標(biāo)高為?3.2 m，地下室的南北墻在窗井標(biāo)高為?0.7 m的位置處留設(shè)400 mm×400 mm的窗戶。一層南墻選用集熱板表面涂有無(wú)光藍(lán)漆的太陽(yáng)能集熱墻，在集熱墻上設(shè)置通風(fēng)口中心距為1.5 m且直徑為150 mm的圓形上、下通風(fēng)口，并在距墻面100 mm處安裝單框雙層玻璃塑鋼集熱罩將集熱墻連同窗一并覆蓋，同時(shí)在地下室與一層之間設(shè)有6個(gè)直徑為150 mm的圓形通風(fēng)口。結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，為了減小建筑外墻的傳熱系數(shù)，防止室內(nèi)熱量向室外擴(kuò)散，在建筑的外墻外側(cè)均粘貼了100 mm厚的EPS聚苯板；同時(shí)，為了防止一層與地下室之間的傳熱，在地下室頂板也粘貼了50 mm厚的EPS聚苯板，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)表2。此外，選取了一幢與該試驗(yàn)房一層建筑面積、結(jié)構(gòu)、布局相同的普通農(nóng)宅作為對(duì)比房進(jìn)行相應(yīng)的熱工參數(shù)測(cè)試。

a. 試驗(yàn)房一層平面圖

a. First floor plan of experimental house

b.試驗(yàn)房地下室平面圖

b. Basement of experimental house plan

1.衛(wèi)生間 2.廚房 3.餐廳 4.臥室 5.客廳 6.門 7.儲(chǔ)能室

1.Bathrooms 2.Kitchens 3.Restaurants 4.Bedrooms 5.Living rooms 6.Door 7.Energy storage rooms

圖2 試驗(yàn)房平面布置圖

Fig.2 Experimental house floor-plan

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成

1.4 試驗(yàn)房冬季工作原理

試驗(yàn)房冬季原理圖如下圖3所示。

1.玻璃蓋板 2.空氣間層 3.集熱板 4.EPS聚苯板 5.重質(zhì)墻體 6.控制風(fēng)閥 7.熱空氣 8.冷空氣

在晴朗冬日白天，太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)中的玻璃蓋板和集熱板吸收太陽(yáng)輻射加熱空氣間層內(nèi)部空氣，當(dāng)其達(dá)到一定溫度時(shí)，開(kāi)啟集熱墻上、下通風(fēng)口，使空氣間層內(nèi)的熱空氣進(jìn)入室內(nèi)，促使室內(nèi)的循環(huán)對(duì)流，并開(kāi)啟地下室通風(fēng)口處具有強(qiáng)制交換上下層室內(nèi)空氣作用的控制風(fēng)閥，將多余的熱量?jī)?chǔ)存在地下室。當(dāng)需要新鮮空氣或室外氣溫比較合適時(shí)，也可通過(guò)打開(kāi)玻璃蓋板下部進(jìn)風(fēng)口、關(guān)閉集熱墻下通風(fēng)口來(lái)對(duì)室外空氣先加熱再流入室內(nèi)；夜間，關(guān)閉集熱墻上、下通風(fēng)口，開(kāi)啟地下室通風(fēng)口，將白天蓄存在地下室的熱量及淺層土壤的蓄熱輸送到上部空間以提高室內(nèi)空氣溫度。

1.5 測(cè)試方法及儀器

按照《被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)條件與熱性能測(cè)試方法》（GB/T 15405－2006）[30]的要求進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器主要采用Vantage Pro2氣象站（測(cè)量精度太陽(yáng)輻射照度為5%、溫度為0.5 ℃）、JTR08B多通道溫濕度測(cè)試儀（測(cè)量精度溫度為±0.3 ℃、濕度為±1%、TR001單溫記錄儀（測(cè)量精度溫度為±0.5 ℃）、JTR07B多通道微風(fēng)速測(cè)試儀（測(cè)量精度±（0.3 m/s+4%測(cè)量值）、JTDL-80溫度與熱流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（測(cè)量精度溫度為±0.5 ℃、熱流為5%），對(duì)太陽(yáng)輻射照度、室外溫度、室內(nèi)溫濕度、通風(fēng)口溫度與風(fēng)速、墻面壁溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，每30 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)。室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)位置為（，，），以室內(nèi)南墻內(nèi)墻面和西墻內(nèi)墻面在地面的交點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0，0），其中為距南墻的距離，為距西墻的距離，為距地面的高度；測(cè)點(diǎn)布置在室內(nèi)幾何中心點(diǎn)（2.1 m，1.5 m，1.5 m），為分析室內(nèi)溫濕度分布情況增設(shè)測(cè)點(diǎn)1、2、3，其位置為（1 m，0.7 m，0.5 m）、（2 m，1.4 m，1 m）、（3 m，2.1 m，1.5 m）。采用短期連續(xù)的測(cè)試方法從2016年10月15日－2017年4月15日進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)房的運(yùn)行狀態(tài)為無(wú)人居住、無(wú)內(nèi)熱源、無(wú)輔助熱源的自然運(yùn)行狀態(tài)，南向集熱墻上、下通風(fēng)口開(kāi)啟時(shí)間為12∶00－18∶00，地下室通風(fēng)口開(kāi)啟時(shí)間為12∶00－18∶00、00∶00－08∶00。具體試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺绫?。

表3 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同供暖模式下的室內(nèi)溫度分析

C1為對(duì)照房無(wú)任何采暖措施的模式；C2為試驗(yàn)房未開(kāi)啟地下室頂板通風(fēng)口的供暖模式，因太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)中的玻璃蓋板和集熱板吸收太陽(yáng)輻射，使室內(nèi)與空氣間層產(chǎn)生正向熱循環(huán)，從而達(dá)到為室內(nèi)供暖的目的；C3為試驗(yàn)房采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的供暖模式。在采暖期內(nèi)室外溫度相對(duì)較低的月份為2016年的12月以及2017年的1、2月，由上述表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在這3個(gè)月中只有15 d晴天，且11 d集中在2016年12月上旬，4 d集中在2017年2月下旬。因此，筆者在這些晴天中選取了空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的2016年12月5日的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)房在不同供暖模式下的室內(nèi)溫度進(jìn)行闡述。

圖4反映了C1、C2、C3模式下室內(nèi)溫度隨室外溫度及太陽(yáng)能輻射照度的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明：在相同的室外氣象條件下，C1模式下室內(nèi)空氣溫度在0 左右，在11∶00－18∶00時(shí)間段接近于室外溫度；相對(duì)于C1模式，C2模式采用了太陽(yáng)能集熱墻，室內(nèi)平均溫度為5.75 ℃，室內(nèi)溫度有了明顯的提高，日較差為6.7 ℃，白天室內(nèi)溫度在開(kāi)啟集熱墻上、下通風(fēng)口后溫度大幅度升高，在16：00時(shí)刻達(dá)到室內(nèi)溫度最大值9.2 ℃，說(shuō)明使用太陽(yáng)能集熱墻的房間供暖效果較好，太陽(yáng)能集熱墻對(duì)于提高室內(nèi)溫度有明顯的作用；試驗(yàn)房C3模式在采用太陽(yáng)能集熱墻供暖的基礎(chǔ)上，利用蓄熱地下室對(duì)上部房間進(jìn)行熱量蓄調(diào)，改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，室內(nèi)平均溫度6.72 ℃，比C2模式、C1模式分別高0.97、6.45 ℃，C3模式室內(nèi)溫度的日較差為3.5 ℃，符合室溫波動(dòng)不大于6 ℃的設(shè)計(jì)要求，相對(duì)于C2模式6.7 ℃的日較差而言，可知地下室的蓄熱作用有效地抑制了室溫的波動(dòng)，有助于緩解夜間室溫的下降，提高了建筑的熱穩(wěn)定性。因此，采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的C3供暖模式更適用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)宅。

圖4 不同模式下室內(nèi)溫度及太陽(yáng)輻照度逐時(shí)變化曲線

2.2 不同天氣狀況下的室內(nèi)溫度分析

上述2.1節(jié)已經(jīng)討論了天氣狀況為晴天時(shí)，試驗(yàn)房采用C3模式的室內(nèi)溫度優(yōu)于C2模式的；而天氣狀況為陰天時(shí)，試驗(yàn)房采用C2模式的試驗(yàn)房為使室內(nèi)不產(chǎn)生逆向冷循環(huán)，散失室內(nèi)熱量，需將集熱墻上、下通風(fēng)口關(guān)閉，沒(méi)有了集熱墻的熱循環(huán)作用，只能通過(guò)晴天儲(chǔ)存在集熱墻內(nèi)的熱量來(lái)為室內(nèi)供暖，而該部分的熱量由于南向集熱墻在集熱板與墻體之間粘貼了100 mm厚EPS聚苯板，只有極少部分的熱量能儲(chǔ)存在墻體內(nèi)，試驗(yàn)房在陰天采用C2模式通過(guò)墻體輻射散熱并不能起到為室內(nèi)供暖的效果。因此，在這一小節(jié)中我們將主要分析試驗(yàn)房采用C3模式在不同天氣狀況下（晴天、陰天）的室內(nèi)熱環(huán)境。圖5a、圖5b分別為晴天、陰天時(shí)對(duì)照房和采用C3供暖模式的試驗(yàn)房室內(nèi)溫度的日變化；表4為試驗(yàn)房在不同天氣狀況（晴天、陰天）下室內(nèi)外溫濕度、日較差、上下通風(fēng)口最大溫差、壁面溫度、測(cè)點(diǎn)1、2、3溫濕度等參數(shù)的數(shù)值分析描述。在采暖期內(nèi)室外溫度相對(duì)較高的月份為2016年的10、11月以及2017年的3、4月，由上述表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，3月份的晴天天數(shù)最多，為27天。因此，筆者選取了2017年3月空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的24日、10日的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)采用C3模式的試驗(yàn)房在不同天氣狀況（晴天、陰天）下的室內(nèi)溫度進(jìn)行闡述。

a. 晴天（3月24日）

a. Sunny days (March 24th)

b. 陰天（3月10日）

表4 C3模式下不同天氣狀況下室內(nèi)外各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)

晴天時(shí)，由圖5a及表4可知：在相同室外氣象條件下，試驗(yàn)房室內(nèi)空氣溫度明顯高于對(duì)照房，全天基本上處于9.4～13 ℃之間，且白天室內(nèi)溫度有5 h超過(guò)了12 ℃，在沒(méi)有輔助熱源的條件下，基本滿足了冬季采暖的要求；集熱墻的上下通風(fēng)口最大溫差達(dá)到了26.69 ℃，說(shuō)明在晴天天氣狀況下，淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的空氣間層內(nèi)空氣與室內(nèi)空氣產(chǎn)生了明顯的熱循環(huán)；在夜間較低的室外溫度下，試驗(yàn)房室內(nèi)溫度能維持在9.5 ℃左右，且溫度變化緩慢，日較差為3.6 ℃，保證了建筑的熱穩(wěn)定性；試驗(yàn)房室內(nèi)平均溫度為10.41 ℃，南、北墻平均溫度為11.97、6.69 ℃，測(cè)試點(diǎn)1、2、3的溫度為9.61、9.87、10.74 ℃。通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知試驗(yàn)房室內(nèi)溫度分布情況：室內(nèi)溫度橫向上表現(xiàn)為由南向北逐漸降低、縱向上表現(xiàn)為由低向高逐漸增加；測(cè)試點(diǎn)1、2、3的濕度為67.49%、66.44%、64.51%。室內(nèi)濕度則表現(xiàn)為由低向高逐漸減小，主要原因是地下室濕度較大，在對(duì)上部空間輸送熱量的同時(shí)增加了室內(nèi)濕度。

陰天時(shí)，由于較弱的太陽(yáng)輻射照度，空氣間層內(nèi)空氣與室內(nèi)空氣沒(méi)有或僅有很微弱的熱循環(huán)，甚至由于很低的室外溫度可能出現(xiàn)逆向熱循環(huán)[31]，因此，全天關(guān)閉集熱墻的上、下通風(fēng)口，開(kāi)啟地面通風(fēng)口，考慮通過(guò)地下室蓄存的熱量及淺層土壤的蓄熱輸送到上部空間來(lái)提高室內(nèi)空氣溫度。由圖5b及表4可知：在相同室外氣象條件下，試驗(yàn)房室內(nèi)空氣溫度明顯高于對(duì)照房，全天室內(nèi)溫度維持在4.3 ℃左右，且溫度變化平緩有輕微下降的趨勢(shì)，說(shuō)明在陰天天氣狀況下，地下室的蓄能和淺層地?zé)崮軐?duì)改善試驗(yàn)房室內(nèi)熱環(huán)境起到了積極的作用；試驗(yàn)房室內(nèi)平均溫度為4.18 ℃，室內(nèi)外溫差為9.52 ℃，南、北墻平均溫度為4.63、4.26 ℃，測(cè)試點(diǎn)1、2、3的溫度為4.31、4.18、4.06 ℃，濕度為74.30%、73.89%、73.65%。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知：由于陰天沒(méi)有集熱墻的熱循環(huán)作用，試驗(yàn)房由南向北沒(méi)有產(chǎn)生明顯的溫度梯度，且測(cè)點(diǎn)1的溫濕度＞測(cè)點(diǎn)2的溫濕度＞測(cè)點(diǎn)3的溫濕度，驗(yàn)證了試驗(yàn)房在陰天時(shí)的供暖方式是通過(guò)地下室蓄存的熱量及淺層土壤的蓄熱輸送到上部空間來(lái)提高室內(nèi)空氣溫度。

2.3 采暖周期變化情況

對(duì)采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的試驗(yàn)房在采暖期（2016年10月15日－2017年4月15日）內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得表5，由表1和表5可知：2016年10月15－31日中共有15 d晴天符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃；11月中共有23 d晴天符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且白天室內(nèi)溫度有5h≥12 ℃；12月中共有11 d晴天符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，但白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃的天數(shù)只有6 d；2017年1月中有2 d晴天，符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的天數(shù)為0，白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃的天數(shù)為0；2月中有4 d晴天符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃；3月中共有22 d晴天符合空氣質(zhì)量等級(jí)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃；4月1－15日中共有15 d晴天符合空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知：在2016年10月15日-11月30日、2017年3月1日－4月15日，若室外天氣狀況為晴天且AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，試驗(yàn)房室內(nèi)空氣溫度能夠滿足農(nóng)宅在無(wú)人居住和無(wú)輔助熱源狀態(tài)下白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃的要求；而在2016年12月1日-2017年2月28日中只有10 d符合白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃的要求。在整個(gè)采暖期（2016年10月15日－2017年4月15日）183 d內(nèi)共有89 d室內(nèi)溫度符合要求，其中88.76%的天數(shù)集中在采暖期內(nèi)的10月、11月、及次年的3月、4月。

表5 2016－2017年采暖期內(nèi)各月份白天室內(nèi)溫度有5 h≥12 ℃的天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

對(duì)石河子地區(qū)采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的試驗(yàn)房與對(duì)比房在供暖周期內(nèi)（2016年10月15日－2017年4月15日）進(jìn)行冬季供暖試驗(yàn)的測(cè)試，通過(guò)3種供暖模式（C1為對(duì)比房無(wú)任何采暖措施的模式、C2為試驗(yàn)房未開(kāi)地下室頂板通風(fēng)口的供暖模式、C3為試驗(yàn)房采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)的供暖模式）、不同天氣情況（晴天、陰天）的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)充分利用太陽(yáng)能集熱墻和地下室的土壤蓄熱，有效地提高了試驗(yàn)房的室內(nèi)溫度和熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)房采用淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)C3供暖模式的室內(nèi)平均溫度比C2模式、對(duì)比房C1模式的室內(nèi)平均溫度分別高0.97 、6.45 ℃，日較差為3.5 ℃且夜間室內(nèi)溫度下降緩慢。

2）晴天時(shí)，試驗(yàn)房室內(nèi)空氣溫度明顯高于對(duì)比房，全天基本上處于9.4～13 ℃之間，且白天室內(nèi)溫度有5 h超過(guò)了12 ℃，在沒(méi)有輔助熱源的條件下，基本滿足了冬季采暖的要求；試驗(yàn)房室內(nèi)溫度分布由南向北逐漸降低、由低向高逐漸增加，并且橫向降低的幅度小于縱向增加的幅度。

3）陰天時(shí)，試驗(yàn)房室內(nèi)溫度相對(duì)較低，但室內(nèi)外溫差仍然達(dá)到9.52 ℃，全天室內(nèi)溫度維持在4.3 ℃左右，且溫度變化平緩有輕微下降的趨勢(shì)；試驗(yàn)房室內(nèi)溫度分布橫向沒(méi)有產(chǎn)生明顯的溫度梯度，縱向上則表現(xiàn)為由低向高逐漸降低。

4）大幅度縮短了采暖周期，試驗(yàn)房在采暖期內(nèi)10月、11月、及次年的3月、4月，僅依靠淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)可滿足室內(nèi)溫度的要求，采暖期縮短了89 d，節(jié)能效果顯著。

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Experiment on heating system combined shallow geothermal energy with solar wall in winter

Yang Tingting1, Jiang Shuguang1※, Yang Jun1, Zhang Junlong1, Yang Liangliang2, Song Xupeng3

(1.,,832000,; 2.,430064,; 3.,834800,)

Passive solar energy heating technology of the solar wall using air as heat-conducting medium for heating has been widely applied, with the advantages of simple structure, low cost and high heat collecting efficiency, and is suitable for non centralized heating of the rural residence in the severe cold area of Xinjiang, China. However, due to the instability and dispersion of solar energy, some problems of poor stability and comfortlessness gradually occurred in the application of the passive solar house. Therefore, we should consider the rational design of the basement and compensate for the instability of solar energy by using the relatively stable characteristics of the temperature of surrounding shallow soil. Combined with the solar heat collecting wall, the indoor temperature at night in winter or on rainy days would be enhanced, and the heating effect of the solar house in winter would be improved. A system of shallow geothermal energy combined with the solar collecting wall was proposed, and a solid model of 1:1 in Shihezi area was built in this paper. On the sunny day in winter, the glass cover-plate and the heat collecting plate of the solar wall system absorbed the solar radiation to heat internal air of the air bay layer. When it reached a certain temperature, the ventilation scoop of solar collecting wall made hot air into the interior, which would then make the indoor convection. Then the control valve of the basement vents was opened to store redundant heat there. At night, the wall was closed and the air vent was opened in the basement. The heat stored in the basement and accumulated in the shallow soil was transported to the upper space so as to heighten the indoor air temperature. Heating test was carried out in passive solar house in Shihezi with the system, and the indoor thermal environment was comparatively analyzed under different heating modes (C1, C2, C3) and different weather conditions (sunny, cloudy). Among them, C1 was the control room without any heating measure; C2 was the test room with closed roof vents of basement, only considering the heating effect of south heat collecting wall; C3 was the test room using the heating mode of combining the shallow geothermal energy with solar wall. The experiment results showed that the average temperature in the house with the C3 heating mode was higher than that in the contrast house, and daily range of temperature was 3.5 ℃; on sunny day, the test room had 5 hours in which the temperature was over 12 ℃; when it was cloudy, the temperature difference between the indoor and outdoor of the solar room remained 9.52 ℃; when the outdoor weather condition was sunny and the AQI (air quality index) was within the limits of the secondary standard, the requirements of the indoor temperature in the test room could be met only relying on the system combining shallow geothermal energy with solar wall in October, November, and March and April next year that were within the heating period, and the energy-saving effect was remarkable.

heating; solar energy; temperature; shallow geothermal energy; solar wall; basement

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023

TU834.1

A

1002-6819(2017)-20-0183-07

2017-05-30

2017-09-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51268049）

楊婷婷，女，河南周口人，研究方向?yàn)楹畢^(qū)工程材料與建筑節(jié)能。Email：1010634928@qq.com

※通信作者：姜曙光，女，甘肅定西人，教授，主要從事綠色建筑與建筑節(jié)能方面的研究。Email：jsg99999@126.com

楊婷婷，姜曙光，楊 駿，張俊龍，楊亮亮，宋旭鵬. 淺層地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)冬季室內(nèi)供暖試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：183－189. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023 http://www.tcsae.org

Yang Tingting, Jiang Shuguang, Yang Jun, Zhang Junlong, Yang Liangliang, Song Xupeng. Experiment on heating system combined shallow geothermal energy with solar wall in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 183－189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.023 http://www.tcsae.org