本文在對西北嚴(yán)寒地區(qū)邊防哨樓太陽能采暖設(shè)計中，將主動式、被動式采暖方式結(jié)合起來，設(shè)置與哨樓使用功能相協(xié)調(diào)的陽光間，采用平板型空氣集熱器。計算預(yù)測了冬季五個月的室內(nèi)月平均氣溫。結(jié)果表明，方案設(shè)計可行，能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

　　1.項目概況

　　我國西北邊疆、冬季十分寒冷。邊防哨樓地處邊境線上，遠(yuǎn)離城市，水、電供應(yīng)缺乏，自然環(huán)境惡劣。邊防哨樓主要供邊防戰(zhàn)士觀察、暸望，其結(jié)構(gòu)型式獨特。在這樣的特殊條件下，希望通過太陽能有效利用，改善邊防民戰(zhàn)士艱苦的生活、工作條件。本文對新疆北部邊防哨樓太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計特點進(jìn)行了初步的分析探討。

　　2.氣候特點及哨樓建筑特點

　　我國西北新疆地區(qū)冬季長，且十分寒冷。以天山為界，北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，南疆為暖溫帶大陸性干旱氣

　　候。降雨稀少，上溫差、日溫差極大。一月份平均氣溫按全太陽能采暖氣候區(qū)劃劃分，新疆屬適宜區(qū)；按太陽能采暖節(jié)能氣候區(qū)劃劃分，新疆僅次于青藏高原屬次佳區(qū)。在缺乏條件的寒冷的新疆邊境哨樓上，采用太陽能采暖來改善室內(nèi)熱環(huán)境，同時節(jié)約能源，具有特別重大的意義。

　　哨樓為一高度20米的四層建筑，建筑平面為邊長2米的八邊形結(jié)構(gòu)。一、二、三層高5.6米，使用面積為3×17.44㎡，四樓為觀察室，層高3米，使用面積12.8㎡，該觀察室為戰(zhàn)士站崗工作場所，即我們的采暖房間。

　　3.太陽能采暖方案選擇

　　太陽能采暖建筑一般可分為主動式和被動式兩大類

　　被動式太陽房是通過建筑獻(xiàn)身和周圍環(huán)境的合理布置，內(nèi)部矛盾空間和外部形體的巧妙處理，建筑材料和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，使其在冬季能集取、保持、貯存、分布太陽熱能，從而解決建筑物的采暖問題。被動式太陽房是一種讓陽光射進(jìn)房屋、并自然地加以利用的途徑。它不需要或僅使用很少的動力和機械設(shè)備，幾乎沒有什么運行費用，幾乎沒有任何風(fēng)險。

　　主動式太陽房是以太陽能集熱器、管道、散熱器、風(fēng)機或泵、貯熱裝置等組成的強制循環(huán)的太陽能采暖系統(tǒng)。其控制調(diào)節(jié)方便、靈活。但一次投資高，維修管理工作量大，技術(shù)較復(fù)雜，且仍要耗費一定量的常規(guī)能源。

　　哨樓所處地區(qū)十分寒冷，僅靠被動式太陽房集熱、蓄熱，難以使室內(nèi)溫度達(dá)到一定的居住要求。增設(shè)主動式太陽能采暖方式，可以最大限度地利用太陽熱能。在主動式采暖系統(tǒng)的設(shè)計上，盡量利用自然循環(huán)壓頭，少用電能。并且，因為主動式采暖系統(tǒng)調(diào)控靈活、方便，可能實現(xiàn)主、被動部分同時或單獨工作，或機械循環(huán)或自然循環(huán)工作方式。被動式采暖系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮在與哨樓特殊的建筑構(gòu)造和使用功能相適應(yīng)的基礎(chǔ)上，提高太陽能的利用率。

　　4.被動式太陽能建筑

　　二十米高的哨樓建筑，只有四樓觀察室需要供熱，其建筑結(jié)構(gòu)型式本向具有較好的集熱條件，應(yīng)充分加以利用。同時，對觀察室建筑材料、平面隔斷重新選擇、設(shè)計，在四樓觀察室采暖房間外墻、頂棚、地面作保溫設(shè)計。保溫層采用100mm厚巖棉板。在觀察室南側(cè)設(shè)置陽光間，隔斷墻將觀察室與陽光隔開。見圖1.隔斷墻為240mm厚磚砌成。上部開2500×800㎡在孔既作為采光，遼望窗，也是白天熱空氣流入的通道。該孔可做玻璃窗，但日出時必須開窗；墻下部開300×200㎡循環(huán)孔，該孔可與鳳管孔洞結(jié)合起來。

　　陽光間三面墻采用雙層玻璃墻，有一人雙層玻璃門，玻璃墻外設(shè)夜間保溫活動裝置，陽光間地面為蓄熱體，其與觀察室地面采用不同構(gòu)造，其在地面樓板上鋪100mm碎石混凝土，水泥抹面。

　　白天，陽光透過陽光間玻璃層，一部分可直接進(jìn)入采暖房間，一部分被陽光間地面和隔斷墻吸收轉(zhuǎn)換成熱量貯存起來，然后通過熱空氣循環(huán)和墻體的熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間。

　　5.主動式太陽能采暖系統(tǒng)

　　太陽能集熱器有平板型庥熱器和聚光型集熱器兩種。對于僅僅以供熱為目的的采暖系統(tǒng)來說，采用平板型低溫集熱，可簡化系統(tǒng)，減少散熱、節(jié)省投資。安裝、運行、管理均比較方便。同時平板型集熱器由于新材料新技術(shù)的發(fā)展，可使集熱效率和集熱溫度大大提高，將來也可用于太陽能制冷。

　　一般，采用水式集熱的應(yīng)用較多，方法、設(shè)備也較成熟。我們詳細(xì)比較了水式集熱和空氣式集熱的優(yōu)缺點。一般說來，空氣式集熱器要便宜些，而且不存在凍結(jié)、腐蝕等問題。在嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)問題是非常突出的問題。所以無凍結(jié)這一優(yōu)點就顯得特別有意義。但由于空氣的密度、比熱均比水小很多，對收集同樣的熱量，空氣式所需要的循環(huán)動力、風(fēng)道、蓄熱體均比水工大許多，相應(yīng)地增加了造價。

　　水式系統(tǒng)一般采取一些防凍措施來防止凍裂發(fā)生。對于西北邊疆嚴(yán)寒地區(qū)，室外氣溫連續(xù)長時間處于冰點以下。防凍問題異常嚴(yán)峻。若采用乙二醇鹽水溶液，要使冰點下降到-30℃，乙二醇重量百分比將達(dá)50%左右。

　　從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、集熱效率多方面綜合分析比較，最后我們設(shè)計選用平板式空氣集熱系統(tǒng)，從根本上解除冰凍的危害。而在系統(tǒng)設(shè)計上，注意盡量避免或減少空氣集熱系統(tǒng)的不利影響。

　　集熱器安裝在三樓南立面墻外的陽臺上，集熱器上部風(fēng)口接風(fēng)管，下部風(fēng)口接回風(fēng)管。風(fēng)管在陽光間地板面穿孔通過樓

　　層，采用卵石床蓄熱，蓄熱器斷面為500×750mm，高度為1500mm，安裝在觀察室內(nèi)東南角處。

　　6.室內(nèi)熱環(huán)境預(yù)測

　　在太陽房無其它輔助熱源情況下，通過面積為4.64㎡的陽光間和4塊1×1.5㎡平板型空氣集熱器集熱供熱共同作用，我們對室內(nèi)可達(dá)到的空氣溫度進(jìn)行了預(yù)測。

　　式中：Ta：月平均室外氣溫，℃；

　　SM1：被動部分月有效得熱量，KJ；

　　SM2：主動部分月有效得熱量，KJ；

　　M：每月天數(shù)，d；

　　Qob：通過其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計算得出，KJ/d；

　　Qin：由室內(nèi)照明，人等產(chǎn)生的熱量，室內(nèi)按一人常住活動，Qin=10368KJ/d；

　　MLC：房間凈負(fù)荷系數(shù)，由熱工計算得出。其NLC=4815KJ/d℃

　　預(yù)測計算結(jié)果列于表1。

　　表1室內(nèi)溫度預(yù)測計算表

　　由預(yù)測結(jié)果可知，在太陽輻照最不利的12月份，可使室內(nèi)氣溫比室外氣溫提高15℃，在輻照最好的2月份，可提高

　　24.1℃。依靠太陽熱能采暖，極大地改善了室內(nèi)熱環(huán)境。但由于室外氣溫太低，例如最冷的一月份平均室外氣溫為-17℃，致使12月、1月份室內(nèi)氣溫僅能達(dá)到0.9℃，1.6℃，仍較低。這說明在極嚴(yán)寒的地區(qū)，僅靠太陽能采暖而無其它輔助熱源措施，是很難達(dá)到民用建筑采暖室內(nèi)溫度要求的。如果要進(jìn)一步改善生活工作條件，達(dá)到采暖設(shè)計目標(biāo)，必須增設(shè)其它輔助熱源。

　　7結(jié)論

　　7.1針對邊防哨樓地處嚴(yán)寒地區(qū)的特點，創(chuàng)造性地提出了被動式和主動式相結(jié)合的采暖方法，極大限度地利用太陽熱能。

　　7.2采用空氣式吸熱系統(tǒng)，徹底避免了凍裂的危害，為嚴(yán)寒地區(qū)太陽能采暖設(shè)計開拓了新思路。

　　7.3在哨樓八邊形平面結(jié)構(gòu)建筑中，巧妙地設(shè)計了陽光間，達(dá)到與建筑的和諧統(tǒng)一。

　　7.4經(jīng)過預(yù)測計算，通過主、被動式太陽能采暖系統(tǒng)供暖，可使室內(nèi)氣溫比室外氣溫提高15-25℃，居住條件大為改善。

　　7.5因室外氣溫太低，在最冷月時室內(nèi)氣溫只能達(dá)到1℃左右，在極嚴(yán)寒地區(qū)，僅靠太陽能采暖很難達(dá)到民用建筑采暖室內(nèi)溫度要求。