国内外学者在太阳能建筑采暖方面已经做了许多工作。国外学者Rekstad等［7］通过试验对比研究了太阳能主动式供暖和空气-水源热泵供暖，结果表明太阳能主动式供暖能耗比空气-水源热泵供暖低 15%～20%。Izquierdo等［8］利用光伏发电产生的电能驱动一种微型的热泵，通过低温地板向24 m2房间供暖，在室外温度为1.9～16℃的情况下，可维持室内温度在17℃以上。Wang W等［9］利用TRNSYS软件模拟研究了一种有水蓄热墙体的被动式太阳房的能耗，与传统房相比，有蓄热墙的太阳房能耗降低了8.6%。Mazarrón F R等［10］试验研究了真空管太阳能集热器在不同水箱温度的情况下供暖的可行性。国内学者焦浩等［11］针对乌鲁木齐的一办公建筑搭建了一个太阳能低温地板采暖系统，测试结果表明：在2014年12月至2015年1月期间，太阳能的保证率为35.5%～44.4%。中国科学技术大学王武等［12］提出了一种主、被动结合的太阳能空气采暖模型，模拟结果显示：在白天平均环境温度为 3℃时，南北向的房间温度都可达到 20℃。张泠等［13］进行了一种太阳能隔热墙体的试验研究，结果表明：新型隔热墙体的表面温度比室内砖墙温度低 6～8℃。曾泠等［14］提出了一种平板太阳能和空气能热泵相结合的低温地板采暖系统，利用Polysun软件建立了仿真模型，并且分析了能耗情况和经济性，结果显示该系统既经济又环保，值得推广应用。Xu J等［15］针对上海的一个温室搭建了含有地下季节性储能装置的太阳能供暖系统，在夜晚最低环境温度为-2℃的条件下，可维持室内温度比周围环境温度高13℃。

综上所述，现有的太阳能主动采暖研究普遍是在环境温度较高的情况下进行的，而且保证率低、成本较高。目前，在实际工况下对中国西北地区农村单体建筑太阳能主动采暖的研究很少。本文仍然以甘肃省民勤县张麻村的两座117 m2的单体建筑为研究对象，在团队冯荣等前期太阳能驱动的强制循环散热器采暖试验研究的基础上，将其改造成了太阳能驱动的强制循环低温地板采暖，对比了不同采暖方式的供能稳定性、室内舒适度和热经济性。

1 试 验

1.1 试验对象

试验对象是甘肃省武威市民勤县张麻新村的 2座外形相似的单体建筑，建筑外观和内部结构如图1所示，对其中一座进行外墙保温改造，主要是敷设保温材料EPS挤塑板，厚度为60 mm，导热系数为0.03 W/（m·K），将其作为试验建筑，另外一座作为对比建筑。对比建筑采用燃煤锅炉驱动的自然循环散热器采暖，试验建筑在 2个采暖季中先后采用了太阳能驱动的强制循环散热器采暖和太阳能驱动的强制循环低温地板采暖，散热器和低温地板分布在建筑的卧室、客厅。太阳能集热系统有 6组全玻璃真空管太阳能集热器，连接方式为串联，集热面与地面夹角45°，正南放置，每组集热器由40支长1.8 m、直径0.058 m的全玻璃真空管组成，3种采暖系统示意图如图2所示：

图1 建筑外观和内部结构

Fig.1 External view and internal structure of building

图2 3种采暖系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of 3 kinds of heating system

1.2 试验参数及仪器

测试时间为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，测试内容包括：

1）太阳辐射强度采用锦州阳光生产 TBQ-2型太阳辐射仪测量，量程为 0～2000 W/m2，仪器灵敏度为8.963 µV/（W·m2），精度为2%。太阳辐射仪固定在建筑屋顶，底部保持水平，周围无遮挡。

2）环境温度、室内空气温度、供暖进出口温度、供暖水箱温度均采用北京赛亿凌生产的带温度补偿的PT100温度传感器测量，量程为-50～100℃，精度为 A级，±0.15℃。室内温度测点布置在室内水平中心位置，距离地面1.7 m。

3）室内空气相对湿度采用北京赛亿凌生产的型号为

STH-TW2-RHHT10AP2S0的温湿度变送器测量，量程为0～100%RH，精度为±2%。温湿度变送器放置在室内水平中心位置，距离地面1 m。

4）供暖循环水流量采用上海华脉生产的 LWGY-20型涡轮流量计测量，量程为0.7～7.0 m3/h，精度为±0.44%。

以上参数采用Agilent 34970A数据采集仪自动采集和记录，设置扫描间隔为10 s，并采用型号为DDS1531，分辨率为0.1 kWh的单相电子式电能表记录循环水泵耗电量。

1.3 计算方法

1.3.1 太阳能供热系统

对于蓄热水箱可列能量平衡方程［16］：

式中Q1为每日太阳能集热器吸收的太阳辐射热，J；Q 2为储热水箱向室内的供热量，J；Q3为储热水箱散失的热量，J；ΔU为储热水箱热水的内能变化量，J。

式中Cp为水的比热容，取4200 J/（kg·℃）；m为供暖循环水流量，kg/s；Tin为供暖供水温度，℃；Tout为供暖回水温度，℃。

式中M为储热水箱水的质量，kg；Ts为供暖水箱温度，℃。

式中

为太阳能集热器日平均集热效率，%；I为太阳能集热器集热面上瞬时太阳辐射强度，W/m2；A为太阳能集热器总采光面积，23.1 m2。

1.3.2 建筑耗热量计算

1）新型农村建筑耗热量的计算公式如下［17］：

式中Q H为建筑物耗热量，W；QHT为通过围护结构的传热耗热量，W；QINF为空气渗透耗热量，W；QIH为建筑物内部得热量，3.8 W/m2。

式中tn为冬季室内计算温度，取14℃［18］；tw为冬季室外计算温度，民勤为-2.6℃［19］；ε为围护结构的温差修正系数；F为围护结构的面积，m2；K为围护结构的传热系数，W/（m2·K）。

式中cp为空气比热容，0.28 W·h/（kg·℃）；ρ为空气密度，1.293 kg/m3；N为换气次数，0.5次/h；V为换气体积，173 m3/次。

2）农村建筑围护结构传热系数K计算公式如下［18］：

式中αn为围护结构内表面传热系数，8.7 W/（m2·K）；δi为围护结构各层材料厚度，m；λi为围护结构各层材料导热系数，W/（m·K）；δ为保温材料厚度，m；λ为保温材料导热系数，0.03 W/（m·K）；α w为围护结构内表面传热系数，23 W/（m2·K）；建筑的窗户、门、地面的传热系数根据《农村居住建筑节能设计标准》（GBT50824-2013）［18］的规定取值，建筑外墙（15 mm水泥砂浆+370 mm烧结黏土多孔砖+15 mm水泥砂浆+60 mm保温材料）和屋顶（25 mm水泥砂浆+150 mm混凝土板+90 mm炉渣）的传热系数由式（8）计算，最终确定外墙、外窗、门、地面、屋顶的传热系数依次为0.36、2、3、0.47、1.45 W/（m2·K）。

2 试验结果与分析

2.1 供能稳定性分析

西北地区冬季气候寒冷干燥，昼夜温差大，夜间没有太阳辐射，而且存在雨雪极端天气的情况较多，因此，系统需采用燃煤锅炉作为辅助热源配合太阳能供暖，以保证系统供能的连续稳定性。根据每日的太阳辐射情况，供暖系统有3种供暖模式：1）当光照充足时，采用太阳能单独供暖；2）当光照较弱时，采用太阳能联合锅炉供暖；3）当为雨雪极端天气时，采用锅炉单独供暖。据统计：第1个采暖季（2014—2015）内，晴朗天气82 d，多云天气 26 d，极端雨雪天气 13 d；第 2个采暖季（2015—2016）内，晴朗天气70 d，多云天气34 d，极端雨雪天气18 d；表1显示的是试验建筑在2个采暖季不同采暖方式下的采暖天数。由以上对比可知：第 2个采暖季的整体天气状况较差，而单独依靠太阳能采暖的天数较多，使用燃煤锅炉的次数较少。显然，散热器采暖改造成低温地板采暖之后，系统的抗天气干扰能力增强，供能稳定性得到明显的提高。

表1 不同采暖方式下的采暖天数

Table 1 Number of heating days under different heating methods

2.2 室内舒适度分析

2.2.1 室内温度分析

为了能够更好对比 3种采暖方式的采暖效果，以建筑客厅为代表房间，选取 2个采暖季中环境温度相近的4 d数据来分析，由于这几天日照辐射较好，试验建筑均采用太阳能供暖，对比建筑采用锅炉供暖，每日的供暖时间均为16:00～24:00。图3a是2014年12月30、31日试验建筑和对比建筑室内和环境温度曲线，环境气温波动在-10.4～3.8℃之间，试验建筑客厅平均温度为14℃，最低温度11℃，波幅为7.3℃，对比建筑客厅平均温度为12℃，最低温度8℃，波幅为10.4℃。图3b是2015年12月2、3日试验建筑和对比建筑室内和环境温度曲线，环境气温波动在-10.8～3.2℃之间，试验建筑客厅平均温度为14.3℃，最低温度为12.4℃，波幅为4.4℃；对比建筑客厅平均温度为 12.4℃，最低温度为 8.1℃，波幅为9.8℃；通过对比三者，在环境气温相近的情况下，节能改造后的试验建筑客厅温度都达到了《农村居住建筑节能设计标准》（GBT50824-2013）规定的14℃，而且采用低温地板采暖的室内平均温度最高、温度变化曲线比较平滑，波动性小、最稳定。

图3 室内和环境温度

Fig.3 Temperature of indoor and ambient

2.2.2 室内相对湿度分析

图4是2014年12月30日至31日和2015年12月2日至3日的试验建筑客厅相对湿度随时间的变化曲线，由图可知：采用太阳能驱动散热器采暖的室内相对湿度波动范围为47%～65%，而采用太阳能驱动低温地板采暖的室内相对湿度波动范围为51%～60%，两者都能够满足冬季室内相对湿度为 40%～60%的舒适区域［20］，但是低温地板采暖的室内相对湿度波动性小，较为稳定，室内热舒适度较好。

图4 2014年12月30日至31日和2015年12月2日至3日客厅相对湿度

Fig.4 Relative humidity of living room on Dec 30th-31th，2014 and Dec 2th-3th，2015

2.3 热经济性分析

2.3.1 太阳能集热效率分析

太阳能集热效率主要受太阳辐射、水箱温度和环境温度的影响，以水箱和环境的日平均温差和累积太阳辐射量作为自变量，集热器的日集热量作为因变量，采用多元线性回归得到单台集热器日集热量方程为：

式中Qs为单台太阳能集热器日集热量，MJ；E为累积太阳辐射量，MJ/m2；

为水箱日平均温度，℃；

为环境日平均温度，℃；多元判定系数R2为0.633，说明拟合优度较高，因变量的63.3%可由线性回归方程解释；标准误差为0.332 MJ，指根据水箱与环境日平均温差和累积太阳辐射量预测集热器日集热量的平均预测误差为0.332 MJ，误差主要来源于未考虑灰尘、风速等环境因素；偏回归系数β1为2.32，表示在水箱和环境平均温差不变的情况下，累积太阳辐射量增加 1 MJ，集热器日集热量增加2.32 MJ；偏回归系数 β2为-0.30，表示在累积太阳辐射量不变的情况下，水箱和环境平均温差每增加1℃，集热器日集热量降低0.30 MJ。对上式（9）等号两边同除以A1E，其中A1为单台太阳能集热器采光面积，3.85 m2，得到集热器日平均集热效率计算公式：

从式（10）可以看出在累积太阳辐射量不变的情况下，水箱和环境平均温差降低，集热器日平均集热效率升高，而图5反映了采用地板采暖时水箱与环境平均温差比散热器采暖时的普遍要低，所以，采用地板采暖有利于太阳能日平均集热效率的提高。

图5 2个采暖季的水箱和环境日平均温差

Fig.5 Daily average temperature difference between storage in two heating seasons and ambient

2.3.2 太阳能供暖系统保证率分析

太阳能保证率 f是指系统来自太阳能的供热量与系统所需热负荷之比。系统在 2个采暖季中来自太阳能的供热量可由式（2）计算得：第1个采暖季太阳能供热量总计为 11619 MJ，第 2个采暖季太阳能供热量总计为22715 MJ。系统所需采暖热负荷计算如下：

1）试验建筑总面积为117 m2，散热器和地板采暖主要分布在 3个卧室和客厅，因此，实际有效采暖面积为64 m2，由式（6）计算围护结构耗热量QHT为3328.6 W，详见表2；

2）由式（7）计算试验建筑空气渗透耗热量如下：

3）试验建筑内部得热量

；

由式（5）计算试验建筑耗热量

，则试验建筑在一个采暖季（121 d）内，所需要的采暖热负荷为

。

表2 建筑围护结构耗热量计算

Table 2 Heat consumption calculation of building envelope

系统在第1个采暖季中的太阳能保证率为：

系统在第2个采暖季中的太阳能保证率为：

由此可知，太阳能供暖系统的散热末端由散热器变为低温地板之后，系统向建筑提供的热量变多，太阳能保证率明显增加，太阳能利用效率得到提高，节能效果非常显著。

2.3.3 经济环保效益分析

6组太阳能集热器价格为11 400元，连接管件、水泵、阀门等费用为500元，整个试验系统总共投资11 900元。系统在整个采暖季节约的标煤应为系统中太阳能供热量折合成标煤的质量减去系统循环水泵耗电量折合成标煤的质量。在第 1个采暖季中太阳能向建筑的供热量总计为11 619 MJ，折合成标煤为1 238.8 kg（标煤的热值为29.308 MJ/kg，传统燃煤锅炉的效率为32%［21］），供暖水泵耗电量为116 kWh，折合成标煤46.9 kg（电力标煤折算系数 0.404 kg/kWh［22］），则系统节约标煤为1191.9 kg；在第2个采暖季中太阳能向建筑的供热量总计为22 715 MJ，折合成标煤为2 422 kg，供暖水泵耗电量为123 kWh，折合成标煤49.6 kg，则系统节约标煤2372.4 kg。由此可见，采用低温地板采暖节煤量更高，按照标煤价格1500元/t，可节省费用3 559元，系统的静态投资回收期为3.34 a，根据每1 t标煤排放2.622 t［23］二氧化碳，计算可得系统的二氧化碳减排量为6.22 t，环境效益非常显著。

3 结 论

通过对太阳能主动采暖系统进行了 2个采暖季的运行试验，测试结果显示系统运行良好，可以得出以下结论：

1）散热器采暖改造成低温地板采暖之后，系统单独依靠太阳能采暖的天数增多，使用燃煤锅炉的次数减少，抗天气干扰能力增强，供能稳定性得到明显的提高。

2）在最低环境气温为-10℃时，采用太阳能散热器采暖和太阳能低温地板采暖都能够使室内平均温度达到14℃，但低温地板采暖室内温湿度比较稳定、波动性小，热舒适度好。

3）太阳能低温地板采暖系统相比于散热器采暖系统，太阳能集热器水箱与环境日平均温差较低，日平均集热效率有所提高；系统的太阳能保证率为60.3%，每年可节省标煤2372.4 kg，二氧化碳的减排量为6.22 t，静态投资回收期为3.34 a，系统的热经济性好，节能效果明显，具有良好的环境效益。