濟南軍區建筑設計院      侯利剛   田群燕

摘   要：部隊建設中經常會遇到獨立哨所的供暖問題，這些哨所大都處在遠離市政供暖的偏遠地區且屬于獨棟建筑，熱負荷非常大，設計人員在對這類哨所的供暖方式進行選擇時不僅要保證室內環境的舒適還要考慮到系統的節能效果。部隊哨所大體可分為三類：海島類哨所、高原類哨所和山區類哨所。海島類哨所和高原類哨所因其獨具的水資源和太陽能資源，具有較高的研究實驗價值，目前已經較為成熟的發展了熱泵類和太陽能蓄熱類供暖系統，供暖效果良好且節能環保。在山溝內修建的眾多哨所因自然條件不具特色，鮮為研究實驗的對象，因此對其供暖方式的考慮不夠深入，不是供暖效果不好，就是系統不經濟。筆者認為采用主動加被動的連續供暖系統，可以取長補短，改善山區哨所居住環境，達到持續節能的目的。下面將結合實例進行探討。

關鍵詞：山區哨所；太陽能；碳晶板；相變蓄熱；供暖；節能

       0   引言

       暖通設計人員在對山區哨所進行供暖設計時總會感覺很“雞肋”：哨所遠離城市，缺乏市政供暖，缺乏水源，供電不易，同時因地處山區，環境溫度低，風大，光照易受遮擋，供暖熱負荷大。適用于高山和海島哨所的太陽能蓄熱供暖系統和熱泵供暖系統均難套用，似乎只能采用電供暖，但電能供應不易，且設計電供暖不切合供暖節能理念。因此，解決好此類供暖設計中遇到的實際難處，改善山區哨所的供暖現狀，已成為亟需解決的問題。筆者認為采取主動加被動的連續供暖系統，可以取長補短，更為高效利用資源，不僅可以有效改善山區哨所居住環境，還能達到持續節能的目的。

       1   主動加被動的連續供暖系統

       1.1   主動加被動的連續供暖模式

       如圖1所示，主動加被動的連續供暖方式主要包括以下幾個方面：建筑圍護節能技術、被動式太陽能集熱技術、主動式碳晶板供暖技術和相變材料蓄熱的二次供暖技術。

圖1

       1.2   圍護結構節能技術措施

     （1）控制建筑的體形系數，減少建筑物散熱面積，體形系數越小的建筑，對建筑節能越有利；

     （2）山區夜間普遍風比較大，入口設計門斗；

     （3）采用外墻外保溫，增大墻體的傳熱阻，提高墻體保溫性能；

     （4）選用保溫和密閉門窗；

     （5）選用保溫性能好的保溫材料，降低樓面和屋面的傳熱系數，提高保溫效果；

     （6）在梁柱等圍護結構的熱橋部位加貼保溫材料，降低熱橋對保溫效果的影響。

       1.3   被動式太陽能集熱

       山區內日照不均，山丘較多，太陽光時常被山遮擋，采取主動式太陽能集熱的效果不佳，當考慮集熱—蓄熱墻式被動式。通過建筑朝向和周圍環境的合理布置，內部空間和外部形體的巧妙處理以及建筑材料和結構的恰當選擇，可以達到向室內供暖的目的。常用形式：集熱—蓄熱墻式、蓄熱屋頂式，集熱—蓄 熱墻式又分為內開孔式、外開孔式和不開孔式。

       1.4   碳晶板散熱器

       碳晶板低溫輻射板供暖系統是以紅外線低溫輻射為主要能量傳遞方式的產品。實驗證明人體處在低溫輻射環境中，就如同置于陽光下，人體的實感溫度要高于室內空氣溫度2~3℃，從而提高生活環境的舒適度。同時在低溫輻射條件下，室內空氣的對流速度大幅降低，使室內減少灰塵，無噪音，室內無冷點和熱點，溫度均衡，使人無干燥感，溫度柔和如陽光般感覺。同時碳晶板散熱器升溫迅速、發熱快。通電5分鐘即可供暖。碳晶板直接對室內輻射熱量，溫度上升速度比傳統的水暖和發熱電纜快5倍以上，由于實現分戶、分室、分片供暖，可根據氣溫和需要隨時調節，亦可節約運行費用。碳晶板的日常運行費用是空調的三分之一，水暖的一半以下。熱效率高，轉換率高達98%。但在電能制備不易的山區，降低其能耗仍需要進行重點考慮。

       1.5   室內相變蓄熱材料蓄放器

       日間，利用太陽能集熱墻和碳晶板散熱器向室內供暖，同時利用蓄熱材料蓄存太陽能，通過蓄熱材料液化潛熱的吸收和釋放來蓄存和放出熱量，在無日光時向室內進行二次供暖，確保太陽能資源的高效利用。以十水硫酸鈉為主體的共晶鹽就是一種比較廉價的相變蓄熱材料，這種材料的蓄熱能力是水顯熱的25倍，碎石的45倍。在白天室內的氣溫上升后，相變蓄熱材料吸收室內熱量后溶化為液體，將所得熱量貯存，待夜間溫度下降后，相變蓄熱材料固化，放出熱量，可有效降低碳晶板散熱器的夜間熱負荷。

       2   案例分析

       結合某山區雷達哨所的建設進行分析。該哨所建于群山之中，共1層，屋面為上車平臺，位于營區西北側，地處一個山坡上，屬于典型的設在不避風高地上的獨棟建筑物。哨所平面設計為矩形，值班房間設于東首，只考慮給哨所內的值班房間供暖。該地區屬于寒冷B區，山區內的溫度還要更低。冬季寒冷，晝夜溫差較大，地處風口，常刮西北風。要想在如此氣候環境下單純依靠碳晶板散熱器來實現供暖，不僅達不到改善室內環境溫度的效果，而且非常不節能。必須把工程的保溫、供熱與蓄熱作為一個整體來研究，充分發揮各自優勢，協力對哨所進行供暖。哨所值班室布局如圖2。

圖2

       2.1    哨所值班室負荷計算

       哨所值班室面積39m²，室內設計溫度為18℃，根據值班室的使用情況，不考慮室內生活散熱，窗透射率考慮灰塵影響，取系數а=0.9，考慮門窗密閉情況，取換氣次數3次/h。2面外墻，3扇外窗，按照一般墻體保溫計算得供暖指標為77W/m²。

       2.2   被動式太陽能集熱墻

       選擇對流環路式被動太陽能集熱墻，這種集熱墻的優點是熱啟動快。陽光照射在集熱墻上，集熱墻內空氣層得熱后，氣溫上升，產生自然循環，將熱量帶入室內。同時墻體本身直接通過熱傳導向室內放熱并儲存部分能量。研究表明，利用被動式太陽能集熱墻來提高室內溫度，有明顯效果。在最冷月，被動式集熱墻吸收太陽能，雖不能直接向室內送熱風，但提高了圍護結構外壁面的溫度，對圍護結構起到主動保溫的作用。

       2.3   碳晶板散熱器

       山區氣候寒冷，只靠被動式太陽能集熱墻技術不能解決室內供暖。為此，室內還要加裝碳晶板散熱器，作為主要供熱設備。結合哨所值班室的方位和布局以及碳晶板散熱器輻射供暖的特性，將碳晶板散熱器集中設置在北內墻一側，設溫控控制箱。盡量減少室內陳設對散熱器的遮擋，分片調控，實現交替運行。

       2.4   相變蓄熱材料的應用

       充分利用山區的太陽能資源。為彌補太陽能資源不穩定的缺陷，考慮將太陽能熱量最大限度的儲存于相變蓄熱材料中。選擇熱管式真空集熱器作為本系統的主動太陽能集熱設備，集熱器設在哨所值班室南側墻壁上，真空管緊貼外墻設置。冬季供暖室內設計溫度要求為18℃，故將相變蓄熱材料的相變點設為18℃，選擇以十水硫酸鈉為主的共晶鹽作為該系統使用相變材料，利用共晶鹽相變潛熱的吸收和放出來蓄存和調節室內熱量。

       3   運行效果

       哨所值班室面積39m²，按普通保溫墻計算得冬季供暖熱負荷3kW，設計500W的碳晶板散熱器6片，并排安裝于北側內墻，配溫控控制器。通過對2016年供暖季的數據進行分析，采用此供暖方式，被動式暖墻和相變蓄熱箱在整個采暖季可以分擔建筑內部40%以上的熱負荷，碳晶板散熱器基本可以實現對半交替工作。不僅可以保證哨所值班室內的環境舒適度，而且可以減少碳晶板散熱器的運行時間和運行片數，從而節省電能并延長碳晶板散熱器的使用時間。

       4   設計心得

       在以往的各類研究中，我們總是傾向于尋找某種典型環境來對某一特定供暖方式進行研究，比如海島哨所，比如高原哨所，而我們平時所接觸的工程大都沒有鮮明的特點，無法找到一種純粹的、高效的、非常合適的供暖方式來套用，這就需要我們樹立更為務實的設計理念。一是要認識到實際工程的多樣性，二是要認識到系統設計的靈活性，三是要認識到設計與實際結合的重要性。

       以這次的雷達站哨所設計為例，不能因為規范上不建議用電供暖就一定不能采用碳晶板，也不能因為太陽能或熱泵的研究成果很成熟就必須套用。一次很好的設計更不是簡單的各種新技術疊加，而是著眼工程實際的科學配套。在這次的設計中我們采取主動加被動的連續供暖方式，并不是簡單的設計復雜化，而是在設計中結合了工程的實際特點，雖然沒有采用太陽能直接供暖，但引入太陽能蓄熱和被動太陽能熱墻，沒有使用熱泵技術，卻選擇碳晶板，確保了供暖效果并盡量做到節能。這種設計思路對于建設于遠離城市中心的小型別墅、各類值守工作站點，甚至是地理位置相似的廣大農村民居同樣有借鑒價值。

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
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