國內外學者在太陽能建筑采暖方面已經做了許多工作。國外學者Rekstad等［7］通過試驗對比研究了太陽能主動式供暖和空氣-水源熱泵供暖，結果表明太陽能主動式供暖能耗比空氣-水源熱泵供暖低 15%～20%。Izquierdo等［8］利用光伏發電產生的電能驅動一種微型的熱泵，通過低溫地板向24 m2房間供暖，在室外溫度為1.9～16℃的情況下，可維持室內溫度在17℃以上。Wang W等［9］利用TRNSYS軟件模擬研究了一種有水蓄熱墻體的被動式太陽房的能耗，與傳統房相比，有蓄熱墻的太陽房能耗降低了8.6%。Mazarrón F R等［10］試驗研究了真空管太陽能集熱器在不同水箱溫度的情況下供暖的可行性。國內學者焦浩等［11］針對烏魯木齊的一辦公建筑搭建了一個太陽能低溫地板采暖系統，測試結果表明：在2014年12月至2015年1月期間，太陽能的保證率為35.5%～44.4%。中國科學技術大學王武等［12］提出了一種主、被動結合的太陽能空氣采暖模型，模擬結果顯示：在白天平均環境溫度為 3℃時，南北向的房間溫度都可達到 20℃。張泠等［13］進行了一種太陽能隔熱墻體的試驗研究，結果表明：新型隔熱墻體的表面溫度比室內磚墻溫度低 6～8℃。曾泠等［14］提出了一種平板太陽能和空氣能熱泵相結合的低溫地板采暖系統，利用Polysun軟件建立了仿真模型，并且分析了能耗情況和經濟性，結果顯示該系統既經濟又環保，值得推廣應用。Xu J等［15］針對上海的一個溫室搭建了含有地下季節性儲能裝置的太陽能供暖系統，在夜晚最低環境溫度為-2℃的條件下，可維持室內溫度比周圍環境溫度高13℃。
綜上所述，現有的太陽能主動采暖研究普遍是在環境溫度較高的情況下進行的，而且保證率低、成本較高。目前，在實際工況下對中國西北地區農村單體建筑太陽能主動采暖的研究很少。本文仍然以甘肅省民勤縣張麻村的兩座117 m2的單體建筑為研究對象，在團隊馮榮等前期太陽能驅動的強制循環散熱器采暖試驗研究的基礎上，將其改造成了太陽能驅動的強制循環低溫地板采暖，對比了不同采暖方式的供能穩定性、室內舒適度和熱經濟性。
1 試 驗
1.1 試驗對象
試驗對象是甘肅省武威市民勤縣張麻新村的 2座外形相似的單體建筑，建筑外觀和內部結構如圖1所示，對其中一座進行外墻保溫改造，主要是敷設保溫材料EPS擠塑板，厚度為60 mm，導熱系數為0.03 W/（m·K），將其作為試驗建筑，另外一座作為對比建筑。對比建筑采用燃煤鍋爐驅動的自然循環散熱器采暖，試驗建筑在 2個采暖季中先后采用了太陽能驅動的強制循環散熱器采暖和太陽能驅動的強制循環低溫地板采暖，散熱器和低溫地板分布在建筑的臥室、客廳。太陽能集熱系統有 6組全玻璃真空管太陽能集熱器，連接方式為串聯，集熱面與地面夾角45°，正南放置，每組集熱器由40支長1.8 m、直徑0.058 m的全玻璃真空管組成，3種采暖系統示意圖如圖2所示：
圖1 建筑外觀和內部結構
Fig.1 External view and internal structure of building
圖2 3種采暖系統示意圖
Fig.2 Schematic diagram of 3 kinds of heating system
1.2 試驗參數及儀器
測試時間為2014年12月1日至2015年3月31日和2015年12月1日至2016年3月31日，測試內容包括：
1）太陽輻射強度采用錦州陽光生產 TBQ-2型太陽輻射儀測量，量程為 0～2000 W/m2，儀器靈敏度為8.963 µV/（W·m2），精度為2%。太陽輻射儀固定在建筑屋頂，底部保持水平，周圍無遮擋。
2）環境溫度、室內空氣溫度、供暖進出口溫度、供暖水箱溫度均采用北京賽億凌生產的帶溫度補償的PT100溫度傳感器測量，量程為-50～100℃，精度為 A級，±0.15℃。室內溫度測點布置在室內水平中心位置，距離地面1.7 m。
3）室內空氣相對濕度采用北京賽億凌生產的型號為
STH-TW2-RHHT10AP2S0的溫濕度變送器測量，量程為0～100%RH，精度為±2%。溫濕度變送器放置在室內水平中心位置，距離地面1 m。
4）供暖循環水流量采用上海華脈生產的 LWGY-20型渦輪流量計測量，量程為0.7～7.0 m3/h，精度為±0.44%。
以上參數采用Agilent 34970A數據采集儀自動采集和記錄，設置掃描間隔為10 s，并采用型號為DDS1531，分辨率為0.1 kWh的單相電子式電能表記錄循環水泵耗電量。
1.3 計算方法
1.3.1 太陽能供熱系統
對于蓄熱水箱可列能量平衡方程［16］：
式中Q1為每日太陽能集熱器吸收的太陽輻射熱，J；Q 2為儲熱水箱向室內的供熱量，J；Q3為儲熱水箱散失的熱量，J；ΔU為儲熱水箱熱水的內能變化量，J。
式中Cp為水的比熱容，取4200 J/（kg·℃）；m為供暖循環水流量，kg/s；Tin為供暖供水溫度，℃；Tout為供暖回水溫度，℃。
式中M為儲熱水箱水的質量，kg；Ts為供暖水箱溫度，℃。
式中
為太陽能集熱器日平均集熱效率，%；I為太陽能集熱器集熱面上瞬時太陽輻射強度，W/m2；A為太陽能集熱器總采光面積，23.1 m2。
1.3.2 建筑耗熱量計算
1）新型農村建筑耗熱量的計算公式如下［17］：
式中Q H為建筑物耗熱量，W；QHT為通過圍護結構的傳熱耗熱量，W；QINF為空氣滲透耗熱量，W；QIH為建筑物內部得熱量，3.8 W/m2。
式中tn為冬季室內計算溫度，取14℃［18］；tw為冬季室外計算溫度，民勤為-2.6℃［19］；ε為圍護結構的溫差修正系數；F為圍護結構的面積，m2；K為圍護結構的傳熱系數，W/（m2·K）。
式中cp為空氣比熱容，0.28 W·h/（kg·℃）；ρ為空氣密度，1.293 kg/m3；N為換氣次數，0.5次/h；V為換氣體積，173 m3/次。
2）農村建筑圍護結構傳熱系數K計算公式如下［18］：
式中αn為圍護結構內表面傳熱系數，8.7 W/（m2·K）；δi為圍護結構各層材料厚度，m；λi為圍護結構各層材料導熱系數，W/（m·K）；δ為保溫材料厚度，m；λ為保溫材料導熱系數，0.03 W/（m·K）；α w為圍護結構內表面傳熱系數，23 W/（m2·K）；建筑的窗戶、門、地面的傳熱系數根據《農村居住建筑節能設計標準》（GBT50824-2013）［18］的規定取值，建筑外墻（15 mm水泥砂漿+370 mm燒結黏土多孔磚+15 mm水泥砂漿+60 mm保溫材料）和屋頂（25 mm水泥砂漿+150 mm混凝土板+90 mm爐渣）的傳熱系數由式（8）計算，最終確定外墻、外窗、門、地面、屋頂的傳熱系數依次為0.36、2、3、0.47、1.45 W/（m2·K）。
2 試驗結果與分析
2.1 供能穩定性分析
西北地區冬季氣候寒冷干燥，晝夜溫差大，夜間沒有太陽輻射，而且存在雨雪極端天氣的情況較多，因此，系統需采用燃煤鍋爐作為輔助熱源配合太陽能供暖，以保證系統供能的連續穩定性。根據每日的太陽輻射情況，供暖系統有3種供暖模式：1）當光照充足時，采用太陽能單獨供暖；2）當光照較弱時，采用太陽能聯合鍋爐供暖；3）當為雨雪極端天氣時，采用鍋爐單獨供暖。據統計：第1個采暖季（2014—2015）內，晴朗天氣82 d，多云天氣 26 d，極端雨雪天氣 13 d；第 2個采暖季（2015—2016）內，晴朗天氣70 d，多云天氣34 d，極端雨雪天氣18 d；表1顯示的是試驗建筑在2個采暖季不同采暖方式下的采暖天數。由以上對比可知：第 2個采暖季的整體天氣狀況較差，而單獨依靠太陽能采暖的天數較多，使用燃煤鍋爐的次數較少。顯然，散熱器采暖改造成低溫地板采暖之后，系統的抗天氣干擾能力增強，供能穩定性得到明顯的提高。
表1 不同采暖方式下的采暖天數
Table 1 Number of heating days under different heating methods
2.2 室內舒適度分析
2.2.1 室內溫度分析
為了能夠更好對比 3種采暖方式的采暖效果，以建筑客廳為代表房間，選取 2個采暖季中環境溫度相近的4 d數據來分析，由于這幾天日照輻射較好，試驗建筑均采用太陽能供暖，對比建筑采用鍋爐供暖，每日的供暖時間均為16:00～24:00。圖3a是2014年12月30、31日試驗建筑和對比建筑室內和環境溫度曲線，環境氣溫波動在-10.4～3.8℃之間，試驗建筑客廳平均溫度為14℃，最低溫度11℃，波幅為7.3℃，對比建筑客廳平均溫度為12℃，最低溫度8℃，波幅為10.4℃。圖3b是2015年12月2、3日試驗建筑和對比建筑室內和環境溫度曲線，環境氣溫波動在-10.8～3.2℃之間，試驗建筑客廳平均溫度為14.3℃，最低溫度為12.4℃，波幅為4.4℃；對比建筑客廳平均溫度為 12.4℃，最低溫度為 8.1℃，波幅為9.8℃；通過對比三者，在環境氣溫相近的情況下，節能改造后的試驗建筑客廳溫度都達到了《農村居住建筑節能設計標準》（GBT50824-2013）規定的14℃，而且采用低溫地板采暖的室內平均溫度最高、溫度變化曲線比較平滑，波動性小、最穩定。
圖3 室內和環境溫度
Fig.3 Temperature of indoor and ambient
2.2.2 室內相對濕度分析
圖4是2014年12月30日至31日和2015年12月2日至3日的試驗建筑客廳相對濕度隨時間的變化曲線，由圖可知：采用太陽能驅動散熱器采暖的室內相對濕度波動范圍為47%～65%，而采用太陽能驅動低溫地板采暖的室內相對濕度波動范圍為51%～60%，兩者都能夠滿足冬季室內相對濕度為 40%～60%的舒適區域［20］，但是低溫地板采暖的室內相對濕度波動性小，較為穩定，室內熱舒適度較好。
圖4 2014年12月30日至31日和2015年12月2日至3日客廳相對濕度
Fig.4 Relative humidity of living room on Dec 30th-31th，2014 and Dec 2th-3th，2015
2.3 熱經濟性分析
2.3.1 太陽能集熱效率分析
太陽能集熱效率主要受太陽輻射、水箱溫度和環境溫度的影響，以水箱和環境的日平均溫差和累積太陽輻射量作為自變量，集熱器的日集熱量作為因變量，采用多元線性回歸得到單臺集熱器日集熱量方程為：
式中Qs為單臺太陽能集熱器日集熱量，MJ；E為累積太陽輻射量，MJ/m2；
為水箱日平均溫度，℃；
為環境日平均溫度，℃；多元判定系數R2為0.633，說明擬合優度較高，因變量的63.3%可由線性回歸方程解釋；標準誤差為0.332 MJ，指根據水箱與環境日平均溫差和累積太陽輻射量預測集熱器日集熱量的平均預測誤差為0.332 MJ，誤差主要來源于未考慮灰塵、風速等環境因素；偏回歸系數β1為2.32，表示在水箱和環境平均溫差不變的情況下，累積太陽輻射量增加 1 MJ，集熱器日集熱量增加2.32 MJ；偏回歸系數 β2為-0.30，表示在累積太陽輻射量不變的情況下，水箱和環境平均溫差每增加1℃，集熱器日集熱量降低0.30 MJ。對上式（9）等號兩邊同除以A1E，其中A1為單臺太陽能集熱器采光面積，3.85 m2，得到集熱器日平均集熱效率計算公式：
從式（10）可以看出在累積太陽輻射量不變的情況下，水箱和環境平均溫差降低，集熱器日平均集熱效率升高，而圖5反映了采用地板采暖時水箱與環境平均溫差比散熱器采暖時的普遍要低，所以，采用地板采暖有利于太陽能日平均集熱效率的提高。
圖5 2個采暖季的水箱和環境日平均溫差
Fig.5 Daily average temperature difference between storage in two heating seasons and ambient
2.3.2 太陽能供暖系統保證率分析
太陽能保證率 f是指系統來自太陽能的供熱量與系統所需熱負荷之比。系統在 2個采暖季中來自太陽能的供熱量可由式（2）計算得：第1個采暖季太陽能供熱量總計為 11619 MJ，第 2個采暖季太陽能供熱量總計為22715 MJ。系統所需采暖熱負荷計算如下：
1）試驗建筑總面積為117 m2，散熱器和地板采暖主要分布在 3個臥室和客廳，因此，實際有效采暖面積為64 m2，由式（6）計算圍護結構耗熱量QHT為3328.6 W，詳見表2；
2）由式（7）計算試驗建筑空氣滲透耗熱量如下：
3）試驗建筑內部得熱量
；
由式（5）計算試驗建筑耗熱量
，則試驗建筑在一個采暖季（121 d）內，所需要的采暖熱負荷為
。
表2 建筑圍護結構耗熱量計算
Table 2 Heat consumption calculation of building envelope
系統在第1個采暖季中的太陽能保證率為：
系統在第2個采暖季中的太陽能保證率為：
由此可知，太陽能供暖系統的散熱末端由散熱器變為低溫地板之后，系統向建筑提供的熱量變多，太陽能保證率明顯增加，太陽能利用效率得到提高，節能效果非常顯著。
2.3.3 經濟環保效益分析
6組太陽能集熱器價格為11 400元，連接管件、水泵、閥門等費用為500元，整個試驗系統總共投資11 900元。系統在整個采暖季節約的標煤應為系統中太陽能供熱量折合成標煤的質量減去系統循環水泵耗電量折合成標煤的質量。在第 1個采暖季中太陽能向建筑的供熱量總計為11 619 MJ，折合成標煤為1 238.8 kg（標煤的熱值為29.308 MJ/kg，傳統燃煤鍋爐的效率為32%［21］），供暖水泵耗電量為116 kWh，折合成標煤46.9 kg（電力標煤折算系數 0.404 kg/kWh［22］），則系統節約標煤為1191.9 kg；在第2個采暖季中太陽能向建筑的供熱量總計為22 715 MJ，折合成標煤為2 422 kg，供暖水泵耗電量為123 kWh，折合成標煤49.6 kg，則系統節約標煤2372.4 kg。由此可見，采用低溫地板采暖節煤量更高，按照標煤價格1500元/t，可節省費用3 559元，系統的靜態投資回收期為3.34 a，根據每1 t標煤排放2.622 t［23］二氧化碳，計算可得系統的二氧化碳減排量為6.22 t，環境效益非常顯著。
3 結 論
通過對太陽能主動采暖系統進行了 2個采暖季的運行試驗，測試結果顯示系統運行良好，可以得出以下結論：
1）散熱器采暖改造成低溫地板采暖之后，系統單獨依靠太陽能采暖的天數增多，使用燃煤鍋爐的次數減少，抗天氣干擾能力增強，供能穩定性得到明顯的提高。
2）在最低環境氣溫為-10℃時，采用太陽能散熱器采暖和太陽能低溫地板采暖都能夠使室內平均溫度達到14℃，但低溫地板采暖室內溫濕度比較穩定、波動性小，熱舒適度好。
3）太陽能低溫地板采暖系統相比于散熱器采暖系統，太陽能集熱器水箱與環境日平均溫差較低，日平均集熱效率有所提高；系統的太陽能保證率為60.3%，每年可節省標煤2372.4 kg，二氧化碳的減排量為6.22 t，靜態投資回收期為3.34 a，系統的熱經濟性好，節能效果明顯，具有良好的環境效益。
