寒冷地区保温哨楼主被动太阳能采暖与室内热环境

1．前言
　　
　　我国西北边疆、冬季十分寒冷。边防哨楼地处边境线上，远离城市，水、电供应缺乏，自然环境恶劣。边防哨楼主要供边防战士观察、暸望，其结构型式独特。在这样的特殊条件下，希望通过太阳能有效利用，改善边防民战士艰苦的生活、工作条件。本文对新疆北部边防哨楼太阳能采暖系统设计特点进行了初步的分析探讨。
　　
2．气候特点及哨楼建筑特点

　　我国西北新疆地区冬季长，且十分寒冷。以天山为界，北疆为温带大陆性干旱半干旱气候，南疆为暖温带大陆性干旱气
候。降雨稀少，上温差、日温差极大。一月份平均气温按全太阳能采暖气候区划划分，新疆属适宜区；按太阳能采暖节能气候区划划分，新疆仅次于青藏高原 属次佳区。在缺乏条件的寒冷的新疆边境哨楼上，采用太阳能采暖来改善室内热环境，同时节约能源，具有特别重大的意义。
　　哨楼为一高度20米的四层建筑，建筑平面为边长2米的八边形结构。一、二、三层高5.6米，使用面积为3×17.44m²，四楼为观察室，层高3米，使用面积12.8 m²，该观察室为战士站岗工作场所，即我们的采暖房间。
　　
3．太阳能采暖方案选择

　　太阳能采暖建筑一般可分为主动式和被动式两大类
　　被动式太阳房是通过建筑献身和周围环境的合理布置，内部矛盾空间和外部形体的巧妙处理，建筑材料和结构、构造的恰当选择，使其在冬季能集取、保持、贮存、分布太阳热能，从而解决建筑物的采暖问题。被动式太阳房是一种让阳光射进房屋、并自然地加以利用的途径。它不需要或仅使用很少的动力和机械设备，几乎没有什么运行费用，几乎没有任何风险。
　　主动式太阳房是以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵、贮热装置等组成的强制循环的太阳能采暖系统。其控制调节方便、灵活。但一次投资高，维修管理工作量大，技术较复杂，且仍要耗费一定量的常规能源。
　　哨楼所处地区十分寒冷，仅靠被动式太阳房集热、蓄热，难以使室内温度达到一定的居住要求。增设主动式太阳能采暖方式，可以最大限度地利用太阳热能。在主动式采暖系统的设计上，尽量利用自然循环压头，少用电能。并且，因为主动式采暖系统调控灵活、方便，可能实现主、被动部分同时或单独工作，或机械循环或自然循环工作方式。被动式采暖系统的设计主要考虑在与哨楼特殊的建筑构造和使用功能相适应的基础上，提高太阳能的利用率。
　　
4．被动式太阳能建筑

　　二十米高的哨楼建筑，只有四楼观察室需要供热，其建筑结构型式本向具有较好的集热条件，应充分加以利用。同时，对观察室建筑材料、平面隔断重新选择、设计，在四楼观察室采暖房间外墙、顶棚、地面作保温设计。保温层采用100mm厚岩棉板。在观察室南侧设置阳光间，隔断墙将观察室与阳光隔开。见图1。隔断墙为240mm厚砖砌成。上部开2500×800m²在孔既作为采光，辽望窗，也是白天热空气流入的通道。该孔可做玻璃窗，但日出时必须开窗；墙下部开300×200m²循环孔，该孔可与凤管孔洞结合起来。
　 　　　　　　
　　　　　　　　　　　图1 四楼观察室及阳光间平面
　　　　　　　
　　　　　　　　　　图2 三楼集热器及管道平面
　　
　　阳光间三面墙采用双层玻璃墙，有一人双层玻璃门，玻璃墙外设夜间保温活动装置，阳光间地面为蓄热体，其与观察室地面采用不同构造，其在地面楼板上铺100mm碎石混凝土，水泥抹面。
　　白天，阳光透过阳光间玻璃层，一部分可直接进入采暖房间，一部分被阳光间地面和隔断墙吸收转换成热量贮存起来，然后通过热空气循环和墙体的热传导进入采暖房间。
　　
5．主动式太阳能采暖系统

　　太阳能集热器有平板型庥热器和聚光型集热器两种。对于仅仅以供热为目的的采暖系统来说，采用平板型低温集热，可简化系统，减少散热、节省投资。安装、运行、管理均比较方便。同时平板型集热器由于新材料新技术的发展，可使集热效率和集热温度大大提高，将来也可用于太阳能制冷。
　　一般，采用水式集热的应用较多，方法、设备也较成熟。我们详细比较了水式集热和空气式集热的优缺点。一般说来，空气式集热器要便宜些，而且不存在冻结、腐蚀等问题。在严寒地区，冻结问题是非常突出的问题。所以无冻结这一优点就显得特别有意义。但由于空气的密度、比热均比水小很多，对收集同样的热量，空气式所需要的循环动力、风道、蓄热体均比水工大许多，相应地增加了造价。
　　水式系统一般采取一些防冻措施来防止冻裂发生。对于西北边疆严寒地区，室外气温连续长时间处于冰点以下。防冻问题异常严峻。若采用乙二醇盐水溶液，要使冰点下降到-30℃，乙二醇重量百分比将达50%左右。
　　从系统经济性、可靠性、集热效率多方面综合分析比较，最后我们设计选用平板式空气集热系统，从根本上解除冰冻的危害。而在系统设计上，注意尽量避免或减少空气集热系统的不利影响。
　　集热器安装在三楼南立面墙外的阳台上，集热器上部风口接风管，下部风口接回风管。风管在阳光间地板面穿孔通过楼
层，采用卵石床蓄热，蓄热器断面为500×750mm，高度为1500mm，安装在观察室内东南角处。见图2。

序号

项目

符号

单位

11月

12月

1月

2月

3月

1

被动部分月有效得热量

S_M1

10³KJ

1724

1631

1909

2021

1960

2

主动部分月有效得热量

S_M2

10³KJ

533

229

447

782

935

3

其它围护结构得热量

Q_ob

KJ/d

3150

2281

3212

5618

8387

4

每月天数

M

D

30

31

31

28

31

5

月平均室外气温

Ta

℃

-5.2

-14.1

-17.0

-15.1

-6.1

6

平均温度升高值

ΔT

℃

18.4

15.0

18.6

24.1

23.2

7

室内平均气温

Tr

℃

13.2

0.9

1.6

9.0

17.1