白叶飞1，唐汝宁1，高红艳2
摘要：通过分析内蒙古传统民用建筑的特点；并因地制宜、充分利用本地区丰富的太阳能资源，对内蒙望地区利用太阳能解决采暖和生活用热水的可行性、经济性进行分析。
关键词：内蒙古；建筑节能；太阳能的热利用
中图分类号：TK515文献标识码：A文章编号：1004一7948（2006）01－0042－03
1引言
内蒙古地处祖国北部边疆，区域辽阔，横贯“三北”。气候属于典型的温带大陆性季风气候，冬、春季气候寒冷干燥，年平均气温大部分地区在0～8℃之间。内蒙古地区太阳能资源十分丰富，年平均日照时数在2900～3400h，年太阳辐射总量为4750～6500MJ/m2。太阳能资源的年日照时数、总辐射量均呈现自东向西递增的特点。太阳能资源量仅次于西藏，居全国第2位。
内蒙古地区传统民用建筑热工设计标准低，外墙多采用实心粘土砖，传热系数超标，门窗密闭性差，门窗热耗占采暖总热耗量的50%，这就造成建筑采暖能耗大、热环境质量差。传统的火炉、土暖采暖方式，能源利用率低，一般火炉热效率只有15％～25％，土暖的终端利用率也只有25%。另外，广大农村、牧区居民仍以柴草、秸秆等作为主要生活燃料，由此造成毁林和草场破坏、环境污染严重，进而水土流失、土地沙化面积逐年扩大。
有鉴于此，针对内蒙古地区的实际特点，寻找现实可行的提高能源利用率、节省矿物能源的消耗迫在眉睫。可再生能源中太阳能是最具开发潜力且用之不竭的清洁能源。近年来，太阳能的热利用在建筑物上的研究正在蓬勃发展。本文充分利用内蒙古地区丰富的太阳能资源，对本地区利用太阳能解决民用建筑采暖和生活用热水的可行性、经济性进行分析。
1.1被动太阳房
被动太阳房是一种经济、有效地利用太阳能采暖的建筑，是太阳能热利用的一个重要领域。它的推广有利于节约常规能源，减少环境污染，谐调人与自然的关系，具有重要的社会效益和经济效益。尤其在太阳能资源较丰富的内蒙古地区，只要对普通住宅稍加改造，如加强门窗的气密性，设置直接受益窗、集热墙、附加阳光间等附属结构就能得到较好的收集太阳能热量的效果。内蒙古在太阳能的开发利用方面，做了大量的工作，并取得了显著的成果，积累了宝贵的经验。目前，内蒙古地区已建成太阳房6000多栋，约12.5万m2，其中大部分是牧民住宅和中小学教室，采暖效果十分理想。以内蒙古一座位于北纬48°高寒区的太阳房为例，冬季在无辅助热源的情况下，太阳房室内最高温度可达12～16℃，清晨最低为5～8℃。和同等规模的常规建筑相比，节能率在60％以上。太阳房的造价一般比普通住宅高10%～20%，对大部分居民来说，是可以接受的。
当然，被动太阳房也有缺点，如在阴天和夜间不能保证稳定的室内温度、过强的直接太阳辐射在夏季一定程度上会影响房间的正常使用。此外房间的朝向也限制了直接受益被动太阳房的广泛采用。
1.2太阳能热水采暖系统
太阳能热水系统一般由太阳能集热器、蓄热水箱、辅助热源、房间用热设备、循环水泵和管路组成。在建设部制定的（中国“住宅阳光计划”纲要）中提出：根据当前太阳能技术与产业的条件，考虑到今后的发展趋势，结合我国住宅建设的实际情况，太阳能低温热水地板辐射采暖技术是实施中国“住宅阳光计划”的重点和优先领域之一。适合内蒙古地区的太阳能热水系统应考虑以下几点：
(1)太阳能集热器应采用抗冻型真空管太阳能集热器或热管真空管太阳能集热器一以彻底解决低温环境下的冻结现象。
(2)辅助热源宜采用煤气炉，因地制宜，合理利用内蒙古丰富的天然气资源。
(3)房间散热设施宜采用低温热水地板辐射采暖系统。
其中低温热水地板辐射采暖系统是太阳能热水采暖系统的最好形式。其优点是：
(1)低温热水地板辐射采暖对地板表面温度有一定限制，不能太高，供水温度比对流式散热器的采暖温度低，小于60℃，太阳能热水温度正好能与之适应。
(2)低温热水地板辐射采暖系统的热惰性大，蓄热能力强，可以在一定程度上弥补太阳能采暖不稳定的弱点，可把白天充足的太阳能储存到夜间使用。
(3)低温热水地板辐射采暖房间温度来自下方，垂直方向温度变化很小，在热舒适度相同的情况下，室内设计温度可以降低2～3℃，这就使房间热负荷减少，从而减少了太阳能热水系统的初投资。
2太阳能低温地板辐射采暖的可行性分析
2.1工程概况
内蒙古新能源试验示范基地太阳房（如图1所示），位于呼和浩特大青山脚下，结构形式为二层砖混结构，建筑面积216.82m2，层高6.lm，采暖面积为146.88m2。外墙为240mm砖墙，外挂90mm钢丝网架夹芯板；内墙为240mm砖墙。室内除一层户门为木门外，其余门窗均为保温型塑钢门窗，一层南面立墙为宽13.2m，进深2.1m的附加阳光间，夜间加保温帘。
房间采用低温热水地板辐射采暖系统，地下管道按回形布置，管径为20mm的交联聚乙烯管，地下埋管相邻两管中心间距为200mm。太阳能集热器选用热管真空管太阳能集热器，面积为12m2，该方阳能集热器承压性能好、无水垢隐患、抗冻性能好、而且热效率高，比较适合内蒙古地区使用。辅助劫源采用10kW的燃气炉，系统中蓄热水箱为1.8m3，利用水箱分层实现采暖和生活热水的供应，补水通过浮球阀自动补水。系统中，太阳能集热器和燃气炉切换采用自动控制和手动控制相结合的方式。太阳能集热系统根据太阳能集热器的出口水温（可设定）和水箱底部水温（可设定）决定太阳能集热器系统水泵的启动与否，主要防止向水箱吸热；采暖侧根据采暖（生活热水）出口水温（可设定）决定燃气炉的运行。冬季白天的室内舒适度主要以被动太阳房的附加阳光间保温的得热（辅助部分太阳能集热器的集热量）来满足，太阳能集热器通过设置水泵运行时间和各房间管道阀门的控制实现分时分区运行，以减少白天或无人房间消耗的热能。阴天或温度极低的情况下，采用辅助燃气炉供热，以保证室内的舒适度。
本系统2004年10月开始运行，效果良好。当室外温度在－5℃以上时，如果天气状况良好，基本不需要辅助燃气炉运行，靠太阳能集热器集热就可维护室内温度在15℃左右，同时可提供部分生活热水。随着室外温度的降低，太阳能集热器的集热量供暖不足时，须运行辅助燃气炉采暖。为充分观测太阳能的采暖效果，在不开启辅助燃气炉的情况下，将2005年1月17日（天气晴朗，气温：－17～－9℃，4～5级偏北风）作为典型日进行系统实测，数据列于表1。
从室外温度与房间温度的变化规律看，室内温度受太阳辐射强度影响，上午10时到下午17时房间温度明显提高，并达到室内设计温度，18时到晚上22时由于地面的热惰性，房间温度的波动不大。
房间温度在0时到早上8时，为最不利时段，辅助燃气炉主要在这一时段运行。
2.2经济性分析
上述太阳房采暖初投资费用：太阳能集热器12m2×1700元／m2＝20400元；墙体及屋顶保温172m2×60元／m2=103200元；辅助阳光间：5850元；蓄热低温热水采暖地板：146m2×50元／m2=7300元；辅助燃气炉：2500元。以呼和浩特地区二例（tw＝－19℃，Nzh=181），不同建筑采暖系统费用比较。
表中，传统民用建筑室内设计温度为18℃，辅助热源（同时考考虑生活热水）25kW；太阳房温度为16℃，扶助热源10kW。生活热水按120L/d考虑。
从表2计算可知，仅从燃料费用来看，太阳能低温热水地板采暖系＋辅助燃气炉系统费用最低，之后依次为被动太阳房＋辅助燃气炉，太阳能低温热水地板采暖系十辅助电暖气，被动太阳房十辅助电暖气，传统民用建筑采用电暖气最高。燃煤土暖气采暖初投资和运行费用均不高，但是能源利用率低，环境污染、生态破坏严重，是目前主要革新的对象。被动太阳房与传统民用建筑相比，投资回收年限为3.4年，是内蒙古地区应大力推广的节能建筑，相比而言，太阳能低温热水地板辐射采暖系统节能率最高，但是由于目前太阳能集热器的价格较高，大力推广受到一定的限制，只有当太阳能集热器面积每平方米降低到600元时，才能与燃气炉采暖竞争。
3结论
内蒙古地区建筑节能和太阳能热利用方式应根据各地区经济状况和能源利用结构来确定，对于太阳能较丰富地区采用被动太阳房和太阳能低温热水地板辐射采暖系统是完全可行的。尤其被动太阳房，值得推广；但由于还没有产业化，个别太阳能劫利用产品生产成本偏高，有待于进一步开发，降低成本以开拓市场。
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