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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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浅谈山区哨所供暖系统

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-08-07

济南军区建筑设计院      侯利刚   田群燕

摘   要:部队建设中经常会遇到独立哨所的供暖问题,这些哨所大都处在远离市政供暖的偏远地区且属于独栋建筑,热负荷非常大,设计人员在对这类哨所的供暖方式进行选择时不仅要保证室内环境的舒适还要考虑到系统的节能效果。部队哨所大体可分为三类:海岛类哨所、高原类哨所和山区类哨所。海岛类哨所和高原类哨所因其独具的水资源和太阳能资源,具有较高的研究实验价值,目前已经较为成熟的发展了热泵类和太阳能蓄热类供暖系统,供暖效果良好且节能环保。在山沟内修建的众多哨所因自然条件不具特色,鲜为研究实验的对象,因此对其供暖方式的考虑不够深入,不是供暖效果不好,就是系统不经济。笔者认为采用主动加被动的连续供暖系统,可以取长补短,改善山区哨所居住环境,达到持续节能的目的。下面将结合实例进行探讨。

关键词:山区哨所;太阳能;碳晶板;相变蓄热;供暖;节能

       0   引言

       暖通设计人员在对山区哨所进行供暖设计时总会感觉很“鸡肋”:哨所远离城市,缺乏市政供暖,缺乏水源,供电不易,同时因地处山区,环境温度低,风大,光照易受遮挡,供暖热负荷大。适用于高山和海岛哨所的太阳能蓄热供暖系统和热泵供暖系统均难套用,似乎只能采用电供暖,但电能供应不易,且设计电供暖不切合供暖节能理念。因此,解决好此类供暖设计中遇到的实际难处,改善山区哨所的供暖现状,已成为亟需解决的问题。笔者认为采取主动加被动的连续供暖系统,可以取长补短,更为高效利用资源,不仅可以有效改善山区哨所居住环境,还能达到持续节能的目的。

       1   主动加被动的连续供暖系统

       1.1   主动加被动的连续供暖模式

       如图1所示,主动加被动的连续供暖方式主要包括以下几个方面:建筑围护节能技术、被动式太阳能集热技术、主动式碳晶板供暖技术和相变材料蓄热的二次供暖技术。

图1

       1.2   围护结构节能技术措施

     (1)控制建筑的体形系数,减少建筑物散热面积,体形系数越小的建筑,对建筑节能越有利;

     (2)山区夜间普遍风比较大,入口设计门斗;

     (3)采用外墙外保温,增大墙体的传热阻,提高墙体保温性能;

     (4)选用保温和密闭门窗;

     (5)选用保温性能好的保温材料,降低楼面和屋面的传热系数,提高保温效果;

     (6)在梁柱等围护结构的热桥部位加贴保温材料,降低热桥对保温效果的影响。

       1.3   被动式太阳能集热

       山区内日照不均,山丘较多,太阳光时常被山遮挡,采取主动式太阳能集热的效果不佳,当考虑集热—蓄热墙式被动式。通过建筑朝向和周围环境的合理布置,内部空间和外部形体的巧妙处理以及建筑材料和结构的恰当选择,可以达到向室内供暖的目的。常用形式:集热—蓄热墙式、蓄热屋顶式,集热—蓄 热墙式又分为内开孔式、外开孔式和不开孔式。

       1.4   碳晶板散热器

       碳晶板低温辐射板供暖系统是以红外线低温辐射为主要能量传递方式的产品。实验证明人体处在低温辐射环境中,就如同置于阳光下,人体的实感温度要高于室内空气温度2~3℃,从而提高生活环境的舒适度。同时在低温辐射条件下,室内空气的对流速度大幅降低,使室内减少灰尘,无噪音,室内无冷点和热点,温度均衡,使人无干燥感,温度柔和如阳光般感觉。同时碳晶板散热器升温迅速、发热快。通电5分钟即可供暖。碳晶板直接对室内辐射热量,温度上升速度比传统的水暖和发热电缆快5倍以上,由于实现分户、分室、分片供暖,可根据气温和需要随时调节,亦可节约运行费用。碳晶板的日常运行费用是空调的三分之一,水暖的一半以下。热效率高,转换率高达98%。但在电能制备不易的山区,降低其能耗仍需要进行重点考虑。

       1.5   室内相变蓄热材料蓄放器

       日间,利用太阳能集热墙和碳晶板散热器向室内供暖,同时利用蓄热材料蓄存太阳能,通过蓄热材料液化潜热的吸收和释放来蓄存和放出热量,在无日光时向室内进行二次供暖,确保太阳能资源的高效利用。以十水硫酸钠为主体的共晶盐就是一种比较廉价的相变蓄热材料,这种材料的蓄热能力是水显热的25倍,碎石的45倍。在白天室内的气温上升后,相变蓄热材料吸收室内热量后溶化为液体,将所得热量贮存,待夜间温度下降后,相变蓄热材料固化,放出热量,可有效降低碳晶板散热器的夜间热负荷。

       2   案例分析

       结合某山区雷达哨所的建设进行分析。该哨所建于群山之中,共1层,屋面为上车平台,位于营区西北侧,地处一个山坡上,属于典型的设在不避风高地上的独栋建筑物。哨所平面设计为矩形,值班房间设于东首,只考虑给哨所内的值班房间供暖。该地区属于寒冷B区,山区内的温度还要更低。冬季寒冷,昼夜温差较大,地处风口,常刮西北风。要想在如此气候环境下单纯依靠碳晶板散热器来实现供暖,不仅达不到改善室内环境温度的效果,而且非常不节能。必须把工程的保温、供热与蓄热作为一个整体来研究,充分发挥各自优势,协力对哨所进行供暖。哨所值班室布局如图2。

图2

       2.1    哨所值班室负荷计算

       哨所值班室面积39m2,室内设计温度为18℃,根据值班室的使用情况,不考虑室内生活散热,窗透射率考虑灰尘影响,取系数а=0.9,考虑门窗密闭情况,取换气次数3次/h。2面外墙,3扇外窗,按照一般墙体保温计算得供暖指标为77W/m2

       2.2   被动式太阳能集热墙

       选择对流环路式被动太阳能集热墙,这种集热墙的优点是热启动快。阳光照射在集热墙上,集热墙内空气层得热后,气温上升,产生自然循环,将热量带入室内。同时墙体本身直接通过热传导向室内放热并储存部分能量。研究表明,利用被动式太阳能集热墙来提高室内温度,有明显效果。在最冷月,被动式集热墙吸收太阳能,虽不能直接向室内送热风,但提高了围护结构外壁面的温度,对围护结构起到主动保温的作用。

       2.3   碳晶板散热器

       山区气候寒冷,只靠被动式太阳能集热墙技术不能解决室内供暖。为此,室内还要加装碳晶板散热器,作为主要供热设备。结合哨所值班室的方位和布局以及碳晶板散热器辐射供暖的特性,将碳晶板散热器集中设置在北内墙一侧,设温控控制箱。尽量减少室内陈设对散热器的遮挡,分片调控,实现交替运行。

       2.4   相变蓄热材料的应用

       充分利用山区的太阳能资源。为弥补太阳能资源不稳定的缺陷,考虑将太阳能热量最大限度的储存于相变蓄热材料中。选择热管式真空集热器作为本系统的主动太阳能集热设备,集热器设在哨所值班室南侧墙壁上,真空管紧贴外墙设置。冬季供暖室内设计温度要求为18℃,故将相变蓄热材料的相变点设为18℃,选择以十水硫酸钠为主的共晶盐作为该系统使用相变材料,利用共晶盐相变潜热的吸收和放出来蓄存和调节室内热量。

       3   运行效果

       哨所值班室面积39m2,按普通保温墙计算得冬季供暖热负荷3kW,设计500W的碳晶板散热器6片,并排安装于北侧内墙,配温控控制器。通过对2016年供暖季的数据进行分析,采用此供暖方式,被动式暖墙和相变蓄热箱在整个采暖季可以分担建筑内部40%以上的热负荷,碳晶板散热器基本可以实现对半交替工作。不仅可以保证哨所值班室内的环境舒适度,而且可以减少碳晶板散热器的运行时间和运行片数,从而节省电能并延长碳晶板散热器的使用时间。

       4   设计心得

       在以往的各类研究中,我们总是倾向于寻找某种典型环境来对某一特定供暖方式进行研究,比如海岛哨所,比如高原哨所,而我们平时所接触的工程大都没有鲜明的特点,无法找到一种纯粹的、高效的、非常合适的供暖方式来套用,这就需要我们树立更为务实的设计理念。一是要认识到实际工程的多样性,二是要认识到系统设计的灵活性,三是要认识到设计与实际结合的重要性。

       以这次的雷达站哨所设计为例,不能因为规范上不建议用电供暖就一定不能采用碳晶板,也不能因为太阳能或热泵的研究成果很成熟就必须套用。一次很好的设计更不是简单的各种新技术叠加,而是着眼工程实际的科学配套。在这次的设计中我们采取主动加被动的连续供暖方式,并不是简单的设计复杂化,而是在设计中结合了工程的实际特点,虽然没有采用太阳能直接供暖,但引入太阳能蓄热和被动太阳能热墙,没有使用热泵技术,却选择碳晶板,确保了供暖效果并尽量做到节能。这种设计思路对于建设于远离城市中心的小型别墅、各类值守工作站点,甚至是地理位置相似的广大农村民居同样有借鉴价值。

备注:本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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