孔維亮，陳 寧，鄒浩娜

（新疆建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830054）

新疆和田地區(qū)屬典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，位于歐亞大陸腹地，氣候?qū)儆跍貛Щ哪畾夂?，它是中?guó)光能資源比較豐富的地區(qū)。豐富的太陽(yáng)能資源為解決農(nóng)村常規(guī)能源短缺問(wèn)題，提高居住環(huán)境質(zhì)量，減少環(huán)境污染提供了有利條件。本文結(jié)合和田地區(qū)的太陽(yáng)能資源狀況和氣候特點(diǎn)，開(kāi)展太陽(yáng)能利用價(jià)值評(píng)估，分析了和田地區(qū)農(nóng)村建筑利用太陽(yáng)能的可行性。

1 新疆和田地區(qū)太陽(yáng)能資源狀況

太陽(yáng)總輻射量、光照狀況以及環(huán)境溫度是影響太陽(yáng)能利用的主要因素。有研究對(duì)新疆氣象資料做了統(tǒng)計(jì)，從影響因素角度入手，分析了和田地區(qū)太陽(yáng)能的時(shí)空分布特征、分布規(guī)律和可利用性。

1.1 太陽(yáng)總輻射量

和田地區(qū)全年太陽(yáng)總輻射量為5 800～6 200 MJ/m，屬于太陽(yáng)能次豐富地帶，全年的日照時(shí)數(shù)為2 500 ～3 100 h。

1.2 光照狀況

太陽(yáng)直達(dá)輻射量占總輻射量的比值影響太陽(yáng)能利用效率，和田地區(qū)四季多風(fēng)沙，2—8月，由于沙塵暴的影響，大氣透明度下降，致使直達(dá)輻射量小于總輻射量的45%，9—12月風(fēng)沙減少，太陽(yáng)直接輻射量增加，有利于太陽(yáng)能利用。新疆和田地區(qū)月直達(dá)輻射量與總輻射量的比值如圖1 所示。

圖1 新疆和田地區(qū)月直達(dá)輻射量與總輻射量的比值

在太陽(yáng)能的利用實(shí)踐中，通常認(rèn)為年內(nèi)日照時(shí)數(shù)≥6 h 的天數(shù)越多，太陽(yáng)能利用的天數(shù)越長(zhǎng)，太陽(yáng)能利用效率越高。1961—1985年，歷年各月日照時(shí)數(shù)≥6 h 的平均天數(shù)如圖2 所示，月平均天數(shù)合計(jì)251.4 d。由圖2 可以看出，太陽(yáng)能利用有利季節(jié)是秋季，不利季節(jié)是冬季。

圖2 累年各月日照時(shí)數(shù)≥6 h 的平均天數(shù)

2 新疆和田地區(qū)氣候特點(diǎn)

和田地區(qū)屬極端干旱的溫帶荒漠氣候區(qū)，春季多沙塵暴、浮塵天氣，夏季炎熱干燥，四季多風(fēng)沙，每年沙塵天氣的出現(xiàn)天數(shù)超過(guò)220 d。

2.1 設(shè)計(jì)用主要室外氣象參數(shù)

采暖室外計(jì)算溫度為-8.6 ℃，計(jì)算采暖期為11月15日至翌年3月15日。和田地區(qū)冬季最多風(fēng)向?yàn)閃SW，年平均氣溫為13.6 ℃，氣溫年較差及晝夜溫差大，年溫度分布如圖3 所示。

圖3 逐月最低、最高及平均溫度

2.2 溫度-時(shí)間分布

環(huán)境溫度影響太陽(yáng)能利用效率，在有日照的條件下，如果環(huán)境溫度低，太陽(yáng)能的利用效率會(huì)降低。太陽(yáng)能利用中，一般擬定氣溫10 ℃為指標(biāo)，當(dāng)日平均溫度≥10 ℃時(shí)，太陽(yáng)能利用裝置能發(fā)揮正常作用，低于10 ℃時(shí)便不能發(fā)揮正常作用。和田地區(qū)11月至翌年3月溫度-時(shí)間的分布如表1 所示。12月、1月的月平均溫度低于0 ℃，由于溫差較大，白天僅有3 ～5 h 高于0 ℃；2月和11月，80%以上的時(shí)段溫度高于0 ℃；3月與10月，所有時(shí)段溫度基本高于0 ℃，高于10 ℃的小時(shí)數(shù)約占60%。

表1 溫度-時(shí)間分布

通過(guò)對(duì)和田地區(qū)光照狀況和溫度分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，1月與12月大部分時(shí)段溫度低于0 ℃，2月溫度有所升高，但日照時(shí)數(shù)≥6 h 的天數(shù)只有15 d 左右，3—4月沙塵天氣嚴(yán)重，直達(dá)輻射量小于總輻射量的40%，10—11月太陽(yáng)直達(dá)輻射量占比高，平均溫度較高。

3 太陽(yáng)能利用價(jià)值評(píng)估

綜合分析和田地區(qū)的太陽(yáng)輻射狀況和室外溫度，判斷太陽(yáng)能利用價(jià)值，利用綜合氣象因數(shù)（）評(píng)估冬季太陽(yáng)房采暖利用價(jià)值。綜合氣象因數(shù)為南墻面入射太陽(yáng)輻射月平均日總量和度日值的比值?！掇r(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）規(guī)定，室內(nèi)計(jì)算溫度為14 ～16 ℃，參考該標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)溫度取14 ℃。這時(shí)，綜合氣象因數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：為基礎(chǔ)溫度為14 ℃時(shí)的綜合氣象因數(shù)，kJ/（m·d·℃）；S為第月入射在南墻面上的太陽(yáng)輻射月平均日總量，kJ/（m·d），如表2所示；DD為第月度日值，℃·d。

表2 綜合氣象因數(shù)相關(guān)計(jì)算參數(shù)的數(shù)值

按照理論計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果，＞12 kJ/（m·d·℃）的地區(qū)建造被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑，能夠獲得一定的節(jié)能效益；＞20 kJ/（m·d·℃）的地區(qū)不采用輔助熱源，室內(nèi)可維持較理想的溫度。

和田地區(qū)總輻射量很大，但受沙塵浮塵天氣影響，月直達(dá)輻射量占總輻射量的比重介于37%～61%。用月直達(dá)輻射量替代總輻射量，經(jīng)計(jì)算，和田地區(qū)為15.6 kJ/（m·d·℃），小 于20 kJ/（m·d·℃）。所以，和田地區(qū)建造被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑，能夠獲得一定的節(jié)能效益，但在無(wú)輔助熱源情況下，室內(nèi)溫度不能滿足14 ℃的最低水平。

4 和田地區(qū)農(nóng)村建筑被動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用形式

被動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用是指不借助機(jī)械裝置，冬季直接利用太陽(yáng)能進(jìn)行采暖，夏季采用遮陽(yáng)散熱。應(yīng)用方式主要有直接受益式、集熱蓄熱墻式和附加日光間式。直接受益式是利用南窗直接接受太陽(yáng)輻射，供熱效率較高，室內(nèi)溫度波動(dòng)較大。集熱蓄熱墻式是在南向外墻除窗戶以外的墻面上覆蓋玻璃，墻表面涂成黑色，提高墻體外表面太陽(yáng)輻射吸收率，減少輻射散熱，使該墻體成為集熱體和儲(chǔ)熱器。附加日光間式在建筑的南側(cè)采用玻璃等透光材料建造可封閉空間，空間內(nèi)的溫度會(huì)因溫室效應(yīng)而升高。根據(jù)和田地區(qū)的氣象條件，劉鑫采用DesignBuilder 軟件建立太陽(yáng)房模型，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體和屋頂都有好的保溫性能，窗戶保溫性能和氣密性良好的前提下，得出直接受益式、集熱蓄熱墻式和附加日光間式的室內(nèi)實(shí)效溫度在日間的大部分時(shí)間均可比室外高出8 ～15 ℃，差別不大。

相比較而言，太陽(yáng)能直接受益式技術(shù)簡(jiǎn)單，室內(nèi)升溫快，不需要特別管理；集熱蓄熱墻式和附加日光間式構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高。和田地區(qū)傳統(tǒng)民居考慮到保溫隔熱、防盜和私密性要求，其形成了外墻開(kāi)小窗、高窗的特點(diǎn)，但對(duì)室內(nèi)采光和通風(fēng)影響很大，基本上很難滿足要求。隨著各種新型門(mén)窗發(fā)展，其保溫隔熱性能、氣密性等都有很大的提高，冬季陽(yáng)光通過(guò)南向窗戶直接照射到室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高，部分太陽(yáng)能被地面及墻面吸收后蓄熱，減少了常規(guī)能源的使用。

5 結(jié)論

選擇被動(dòng)式太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮地域文化特點(diǎn)、地區(qū)氣候以及經(jīng)濟(jì)水平等因素。集熱蓄熱墻式需要將墻表面涂成黑色，不符合和田地區(qū)居民的審美要求，附加日光間式與當(dāng)?shù)厝松盍?xí)慣不符，二者都不宜采用。由于和田地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平相對(duì)落后，采用直接受益式更符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，可提高室內(nèi)熱舒適性并能獲得一定的節(jié)能效益，其在農(nóng)村地區(qū)新建建筑施工和既有建筑改造中值得推廣。