青南高寒地区小型住房节能技术探究

2019-09-02周伟源林煜芸严锦斌何昆睿刘前标

科技视界 2019年10期

关键词：高寒地区资源利用保温

周伟源　林煜芸　严锦斌　何昆睿　刘前标

【摘要】青南地区属于高寒地区，煤炭等商品能源较为短缺，但却具有极其丰富的太阳能资源和生物质能。本文探讨如何有效地利用太阳能等自然资源，在青南地区建造一座满足采暖、照明、睡眠、炊事等居住功能的小型住房。

【关键词】资源利用;保温;小型住房;高寒地区;被动式太阳能

中图分类号： TU111.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）10-0167-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.072

Study on Energy Saving Technology of Small House in Alpine Region in the South of Qinghai Province

ZHOU Wei-yuan LIN Yu-yun YAN Jin-bin HE Kun-rui LIU Qian-biao

（College of Architecture & Urban Planning，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

【Abstract】The south of Qinghai Province is an alpine region.Commercial energy sources，such as coal，are in short supply.But it has extremely rich solar and biomass energy.This article explores how to use natural resources effectively，such as solar energy，to build a small house in the south of Qinghai Province that meets the residential functions of heating，lighting，sleeping and cooking.

【Key words】Resource utilization;Heat preservation;Small house;Alpine region;Passive solar energy

0 引言

青海南部地区具有特殊的气候和文化：属于高寒地区;具有以藏传佛教为代表的人文环境;煤炭等商品能源较为短缺，但却具有极其丰富的太阳能资源和生物质能。高寒气候与短缺的自然资源较大程度上限制了当地人居环境舒适度的提高。寒冷的气候要求住房有更好的體形系数，因此笔者认为小体量且规整的住房更适合当地，且利于节约能源。

本文从节约资源及提高住房的实用性和舒适性出发，主要讲述了太阳能、水资源、生物质能三方面的资源利用方式在小型住房的应用。其中以太阳能为核心，采取了太阳能的主动式和被动式利用方式。主动式主要是通过设备转化太阳能为电能、热能进行利用;被动式主要是在不使用主动热源的情况下，利用建筑自身设计收集并储存热量，使得室内保持舒适的温度。在本文中，太阳能的主动式利用为：光伏发电、光伏融雪、电热地暖、雨雪收集和太阳能热水器五个主要系统的集成策略;此外，采用了太阳能的被动式利用：阳光间、trumble wall。如图2所示。

1 玉树地区自然环境

（1）低温及温差：受海拔高度的影响，青海玉树地区冬季1月均温在-10℃左右，夏季7月均温12℃。同时，该地区升降温迅速，气温日差达12-17℃。建筑室内温度要保持在一个适宜的恒定水平，是一种挑战。

（2）辐射量大，日照时间长：青海玉树地区平均年总辐射量达到6276MJ·m-2·a[1]。日照时数最长地区最高可达3550.5h，具有丰富的太阳能资源，但太阳能资源的利用率却不高。

（3）生物质资源：是该地区丰富并容易运用的可再生能源形式。该地区海拔高，历史以来其生活燃料即为牛羊的粪便牲畜粪便。牲畜粪做燃料供应稳定而充足，目前依然被该地各民族群众所接受。

（4）水资源：每年9月-次年5月为降雪期，年均降雪天数为51.7。年平均降水量500mm左右。具有较为丰富的水资源。

2 小型住房

在青南地区建造一座满足采暖、照明、睡眠、炊事等居住功能的小型住房。尊重青海藏民文化习俗，在方案设计中沿用传统民居的平面布局的基础上，在北边增设盥洗空间包括①厨房、②卫生间在内的辅助性功能空间满足居民日常生活需求，并作为冬季寒冷室外气候和温暖室内环境的缓冲地带。南墙为满足采暖，设置③特朗普墙并增加④阳光间，室内靠南边设置主要起居功能，房间中央设置⑤牛粪炉作为补充热源，如图1和图2所示。

3 资源利用

3.1 太阳能利用

3.1.1 太阳能的主动式利用

①光伏发电系统

一套光伏发电系统主要包括太阳能电池板、太阳能控制器、光伏逆变器和蓄电池组（如图），同时应当考虑防雷保护措施。光伏发电系统方案如图3所示。

主要运作流程为：由太阳能电池产生电能，经由逆变器转变成交流电输送至各用电负荷，辅以蓄电池蓄电保证日常使用。

太阳能电池组安装倾角选择39°，朝向正南，能获得年理论发电量最大，并满足灰尘雨雪滑落要求及支架稳定性要求[2]。组件的安装方式可选用工程塑料固定式安装，该材料在高低温状态下均可保持良好的性能，具有较好的紫外线耐受性和耐候性，能满足雪

载、风压等要求，且轻巧和易于安装，十分适用于高寒偏远地区[3]。

②光伏融雪系统

本方案中设计利用太阳能进行光伏融雪，以减少屋顶负荷并收集水资源。

系统主要使用发热电缆进行融雪，一般达到融雪效果需要发热电缆功率为：250～400W/m2（220V）;发热电缆型号：DCR-170型，线性负荷为：17W/m，铺设间距：50mm[4]。

由于总发电功率的限制条件，设计初期使用蓄电池按300W/m2输出加热，达到预期温度后，以太阳能电池板按80W/m2功率持续输出，能够有效降低耗电量，同时为保证其它设备的电量供给，仅在屋顶局部敷设发热电缆9m2（需159m电缆），如图4所示。

③配套电热地暖系统

在光伏融雪系统的基础上，在建筑中配套设置电热地暖系统（图6），在非融雪时段使用太阳能板供电，与融雪系统错峰利用产能，并可获得更好的采暖效果。基于地面构造的基础上，系统主要由发热电缆、温控器、温控探头等组成，如图5所示。设计方案如下：系统配置功率100W/m2，设计敷设9m2;发热电缆型号：DCR-170型，线性负荷为：17W/m，铺设间距：165mm。

光伏融雪经济性分析

在不采用光伏融雪方式的情况下，亦可使用环保融雪剂除雪，但长期使用会使投入增加。因此，在经济性方面与光伏融雪系统作如下比较：

因此，从长期的投入使用来看，使用光伏融雪方式及配套电热地暖设计，能够协同光伏发电系统，较好地利用清洁能源获得融雪、采暖效果，并且有较好的经济性。

④太阳能热水器

除了光伏发电，通过集热器利用太阳能易于在高寒条件下获得热水资源。根据市场上太阳能热水器的相关技术资料，适宜选用耐寒性能较好（>-40°C或>-20°C）的太阳能热水器。另外，太阳能热水器根据水箱与集热器是否分离分为一体式和分体式的，其主要特点表2所示：

通过对比两种太阳能热水器的类型，认为一体式太阳能热水器对高寒地区小型住房具有更高的性价比。在高寒地区使用太阳能热水器仍需要对管道采取有效的防冻措施。目前市场上常用的防冻措施主要有：管路循环、电伴热带、PVC套管、管道排空。

其中電伴热带防冻是较新的应用技术，具有显著优点。电伴热带一般由（导电）线芯、芯带、护套、屏蔽层、防护层组成（图7）。它不需日常维护，运行费用低，可远距离控制，且不受地域限制，即使在零下40℃的地区仍然可以使用。结合光伏发电系统，十分适合在高寒地区使用。其造价约为50元/m，成本较低[5]。

3.1.2 太阳能的被动式利用

太阳能的被动式利用主要是在不使用主动热源的情况下，利用建筑自身的设计收集、储存热量，使得室内保持舒适的温度。以下主要采取两种太阳能的被动式利用方式：阳光间和trumble wall。

①阳光间

附加阳光间一般由玻璃温室和公共蓄热墙体组成，如下图所示。阳光间蓄热传热原理：（a）阳光透过玻璃窗直接照射在采暖房间;（b）阳光被阳光间的地面和公共蓄热墙体吸收，通过热空气循环和热传导进入采暖房间，起到太阳能供暖作用。

②Trumble Wall

集热蓄热墙工作原理：太阳辐射透过透光材料进入空气夹层，加热蓄热墙吸收表面和空气夹层，再通过传导、对流及辐射的方式将热量传递到室内。如图9和图10表示。

3.2 水资源利用

3.2.1 雨雪收集系统

青海玉树地区年降水量约480毫米，设计雨雪收集系统，协同融雪系统能够获得一定的水资源以补充生活用水。系统组成主要有：落水管、弃流过滤装置、清水池（箱）及用水装置，如图11所示。

运作流程：雨水通过屋顶坡度汇流到落水口处，经过落水管进入到弃流过滤装置，装置底部排水口设置阀门开关，开关在打开情况下，雨水直接排到室外，可对初期雨水进行弃流;开关闭合时，装置开始蓄水，水通过过滤层后进入到清水池中，然后通过水泵压力进行供水。过程中，当落水管进水效率高于水通过过滤层效率时，多余的水会通过溢流口进入到排水管中排走，同样，当清水池收集一定量的水后，多余水将溢流排走。在弃流过滤装置中设置简易过滤层：底部架设钢丝网，将用纱布包裹的大石子、小石子、细沙、活性炭（或木炭）及膨松棉由下至上依次铺密实，如图。能够有较好的过滤效果同时材料、装置易于获取、制作。水将由下往上通过过滤层，有利于减少颗粒物的沉淀堆积。雨水收集系统如图11所示。

3.2.2 节水马桶

为了提高水资源的利用率，对比市场上现有的节水马桶性能。其中由喜文华、陈春虹等研发的“一杯水马桶”产品，是目前一种较为优良的节水马桶，该产品具有较好的应用，并获多个荣誉称号，相较于普通蹲便器，每年可节约水量约92%，在节水性能上体现出较大的优势[6]。

由于表见，一杯水马桶具有突出的节水性能，这对于贫水的高寒地区是十分适用的。

3.3 生物质能利用

为了遵循牧民的生活方式并增加采暖效果，设计中沿用当地牛粪炉的使用及其布局，充分利用当地生物质能：牛粪，并对其排烟口进行处理。

4 结语

（1）尊重青南地区民族生活习俗，优化了当地住房平面布局，有利于集约空间。

（2）青南地区有丰富的太阳能，当地住房可以采用主动或被动式的太阳能利用方式来降低采暖能耗。

（3）使用太阳能热水器可较好地利用太阳能获得热水资源，提高生活质量。

（4）特朗普墙与附加阳光间能较好地实现利用太阳能采暖的目的，但其经济性还需进一步验证。

（5）采用雨雪收集系统，能够在贫水地区达到补充生活用水的目的。

（6）沿用当地牛粪炉的使用及其布局，可达到较好的室内采暖效果。