安徽省建筑科學研究設計院   石團團，沈念俊

以典型皖南傳統民居為研究對象，結合廂房“地籠”設計太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統改善室內冬季的熱環境。在TRNSYS模擬平臺上建立了太陽能地板輻射采暖的系統模型，包括環境參數處理、建筑模型、集熱系統、蓄熱系統、供暖系統及結果輸出六個子系統，在TRNSYS中進行動態模擬。模擬結果表明：冬季采暖時，十二、一、二月份室內溫度達到16℃以上的時間分別占到總時間的88.6%、81.1%和86.8%；太陽能保證率分別為34.0%、23.5%和29.5%，系統在皖南地區的運用是可行的。經濟性分析表明太陽能熱水地板輻射采暖系統具有較低的采暖能耗和較好的經濟效益。

    關鍵詞：傳統民居，太陽能，低溫地板輻射采暖，TRNSYS

    一、引言

隨著城鎮化的快速發展，國內很多地方都出現千城一面、萬鎮同貌的現象，因此對傳統建筑特色的保護及室內環境營造技術的挖掘是非常重要的。皖南民居在選址布局上依山傍水，重視與自然環境的融合，創造出良好的氣候環境。建筑構造體系為厚外墻、薄屋頂、木隔墻，結合封閉外墻及狹小天井的建筑空間組合，室內環境特點鮮明。皖南民居關于熱環境的研究表明冬季室內存在潮濕、昏暗、采光不足等缺點。皖南傳統民居夏季隔熱效果相對較好，室內主觀感受較為陰涼，廳堂通風較好因而較為舒適；而冬季舒適度較差，冬季建筑保溫效果及氣密性較差，冬季寒冷的室外環境波動對室內熱舒適性影響較大，在應對寒冷氣候方面皖南建筑防寒功能顯得尤為不足，并且當地目前基本靠火桶采暖，這也反應出傳統民居圍護結構與能源利用方式的缺陷，迫切需要采取一系列措施去深入解決這種現狀。

國內外對傳統民居開展了大量研究^[1-3]，在傳統民居室內環境方面的研究目前可以分為傳統民居生態設計經驗挖掘和室內環境營造機理的認識^[4-11]。對于皖南傳統民居的研究^[12-14]，主要集中在通風環境的模擬分析和建筑熱環境參數的實測上，因此，針對皖南民居冬季室內熱環境較差的問題亟需提出相應改善措施。

    二、典型皖南傳統民居太陽能低溫輻射采暖系統

    1. 馀慶堂建筑概況

馀慶堂為典型的清代民居，二進五廂，花磚貼門墻，“鳳”字墻頭，俗稱“卷龍屋”。單體房間及組合而成的整體建筑體現出進緊湊的布局特征，是集約土地的極致表現，馀慶堂平面如圖1所示。天井底部地面設置有水槽排水，并布置有花草、假山盆景增加內部空間的景致與美感。庭院不同于天井的高深，庭院圍墻一般較矮，更易于接納陽光，解決生活中的晾曬問題。

圖1 馀慶堂平面圖

   2. 太陽能低溫輻射采暖系統設計

以較低的室內溫度來考慮村鎮住宅建筑的冬季采暖需求，可以適當的降低住宅建筑能耗，也為室內采暖系統及圍護結構的合理設計提供可能。將村鎮冬季室內采暖計算溫度的范圍設置在14～16℃之間是合適的，本文選擇室內設計溫度為16℃。

1、2、3、4-溫度傳感器；5-集熱側循環泵；6-采暖側循環泵；7-排氣閥；8-補水泵；9-電加熱器；10-蓄熱水箱；11-分水器；12-集水器；13-集熱器；14-控制器；15-自來水表；16-膨脹閥；17、18-三通閥

圖2 太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統

考慮到廂房地面為架空地籠，為地板輻射末端的鋪設創造了有利條件，而低溫地板輻射采暖系統的供水溫度在35～45℃即可滿足需求，節能性及舒適性方面，都較為適合與太陽能系統結合。因此，針對馀慶堂東廂房1、2兩個居住空間設計太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統，以期改善冬季室內濕冷環境[^15]。

冬季白天太陽輻射強度較大時，太陽輻射能被集熱板吸收并傳遞給內部介質，加熱由蓄熱水箱下部流入到集熱器的冷水送入蓄熱水箱上部。蓄熱水箱內熱水由采暖側循環泵提供動力，經分水器進入室內地板輻射末端，回水最終經集水器進入蓄熱水箱底部。如此反復循環將熱量供給室內，水箱中熱水貯熱量不足時，開啟供水管路上的輔助電加熱器。夏季和過渡季節關閉采暖系統供回水處的管道閥門，蓄熱水箱熱水用于盥洗、淋浴等生活熱水[^16]。

表1 太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統設備匯總表

    3.系統模型

系統集熱側主要有平板集熱器、蓄熱水箱、集熱側循環泵、控制器、氣象參數等組成。系統集熱側流程圖如圖3所示。系統負荷側主要有蓄熱水箱、輔助加熱器、控制器、地板輻射供暖房間、數據讀取器、方程運算器、氣象參數等組成。系統供暖側的流程如圖4所示。

圖3 集熱側流程圖

圖4 供暖側流程圖

太陽能集熱器與蓄熱水箱之間循環采用溫差循環方式。集熱器出口水溫T₁與蓄熱水箱下部水溫T₂溫差T₁-T₂≥5℃，集熱側循環加熱泵開啟；當T₁-T₂＜2℃，表明集熱器與水箱之間已經充分進行了熱交換，循環加熱泵停止工作。供暖側主要根據地板表面溫度對供熱水泵啟停進行控制。即當地板溫度高于25℃時水泵關閉，低于24℃時開啟。

蓄熱水箱中的水溫可能超過地板采暖的供水溫度，供、回水管路上安裝三通閥，通過調控三通閥門，當水箱中的溫度高于45℃，地板采暖循環泵開啟的同時開啟三通閥，把適量的回水與供水熱水混合以提供規定的穩定供水溫度。蓄熱水箱的出口溫度<35℃時，打開輔助加熱器。

基于TRNSYS模擬軟件構建系統模型，如圖5所示。

圖5 太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統仿真模型

    三、模擬結果分析

   1. 太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統室內溫度

圖6 室內溫度及地板表面溫度分布圖

冬季12-2月在太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統運行下，2個東廂房的室內溫度及地板溫度隨時間的變化如圖6，模擬結果分析如表2。東廂1較東廂2的溫度稍低，主要是其相對位置決定的，東廂2位于東廂1與廳堂之間，與室外直接接觸的外圍護面積相對較少。

表2 室內溫度模擬結果

    2. 集熱器日效率分析

圖7 12-2月集熱器日效率分布

集熱器日效率與太陽輻射的關系可知：集熱器日效率在12月6日最大，達到55%；部分由于陰雨天太陽輻射較小，集熱器日效率最小時為0。12月份集熱日效率平均為33.15%，1月份集熱日效率平均為29.33%，2月份集熱效率日平均為31.77%，可見，皖南地區由于太陽能輻射量及自身氣候等原因，冬季的太陽能集熱器效率相對偏低。

      3.水箱溫度與供水溫度關系分析

圖8 水箱出水溫度及供水溫度分布（1月份）

由一月份水箱出水溫度及室內供水溫度可知：水箱出水溫度最高為46.9℃，最低為24.51℃；當水箱出水溫度小于35℃時，輔助加熱器開啟，將溫度加熱到35℃后關閉，當水箱溫度高于35℃時，供水溫度與水箱水溫一致，且水箱溫度過高時回水與供水混合，避免供水溫度過高導致地板溫度超過舒適范圍。一月份供水平均溫度為30.54℃。由于系統輔助熱源的存在，水箱回水溫度較高，使得整個冬季水箱內溫度保持在24℃以上。

    4. 節能效益分析

將電輔助加熱的太陽能熱水系統與電鍋爐、燃氣鍋爐的能耗進行對比分析。表3 給出了3 種方案的動態費用年值[^17] 。電輔助加熱的太陽能采暖系統的動態費用年值最低，具有最好的經濟性。隨著常規能源價格的增長，太陽能采暖系統經濟性優勢會越來越明顯。

表3 各方案動態費用年值計算表

    四、結論

1．系統運行特性表明，廂房內溫度控制基本滿足了皖南地區室內溫度需求。十二、一、二月份廂房室內平均溫度分別為17.57℃、16.53℃和17.15℃，16℃以上的時間分別占到總時間的88.56%、81.12%和86.79%。

2．當地太陽能資源情況決定了系統太陽能保證率較為一般，十二、一、二月太陽能保證率分別為33.96%、23.52%和29.47%；冬季的太陽能集熱器日效率相對偏低。

3．相較于電鍋爐、燃氣鍋爐，電輔助加熱的太陽能采暖系統的動態費用年值最低，為0.38萬元，燃油鍋爐和電鍋爐的動態費用年值分別是電輔助加熱的太陽能采暖系統的1.94倍和1.52倍。

因此，系統在皖南地區的運用是可行的，太陽能熱水地板輻射采暖系統具有較低的采暖能耗和較好的經濟效益。