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乡镇卫生院太阳能供暖工程介绍中国建筑科学研究院郑瑞澄李忠张昕宇冯爱荣张磊摘要本文介绍了由世界银行贷款和全球环境基金（GEF）赠款资助的“中国被动太阳能采暖乡镇卫生院建设”项目。项目完成了在陕西、甘肃、青海三省国家级贫困县29个被动式太阳能采暖卫生院的建设。由中国建筑科学研究院对29个被动太阳能采暖卫生院所作一个采暖季的性能监测评估结果说明：项目达到了预期效果，获得了很好的节能经济效益，初步改善了乡镇卫生院的就医环境。如在此基础上再增加主动太阳能集热系统进行供热采暖，将使卫生院的室温达到暖通设计规范要求，极大提高卫生院室内环境的热舒适度，是节约常规能源、解决广大农村采暖问题的有效措施。关键词:被动太阳能采暖,动风压试验,全采暖季监测,回收年限，主动太阳能供热采暖1.背景情况2002年1月15日卫生部与世界银行就被动太阳能采暖乡镇卫生院建设签订了协议(GEF-MSPGrantNo.TF050238)。项目目标是在中国北方采暖区的国家级贫困县建设被动太阳能采暖乡镇卫生院的示范工程，2002年年中项目开始启动，至2003年夏季，在山西、甘肃、青海三省建成了29个被动太阳能采暖乡镇卫生院。从2003年9月到11月，由包括国际和国内太阳能专家、项目省设计人员组成的验收组对建成的各试点工程进行了工程验收，中国建筑科学研究院根据专家的评估意见提出了验收评估报告。从2003年11月到2004年4月，中国建筑科学研究院对29个被动太阳能采暖卫生院进行了1个采暖季的性能监测和分析评估。2.被动太阳能采暖卫生院设计简介29个被动太阳能采暖乡镇卫生院建在我国太阳能资源比较丰富的地区——年太阳辐射总量为5400～6700MJ/(m2a)。与常规卫生院相比，被动太阳能采暖卫生院的初投资大约增加10—15%。被动太阳能采暖方式分别为直接受益式、阳光间和集热墙。被动太阳能采暖卫生院的建筑设计单位分别是山西省建筑科学研究院，山西大同市建筑设计院，青海新能源研究所和甘肃省科学院自然能源研究所。以下简介被动太阳能采暖卫生院的设计特点:2.1被动太阳能采暖方式29个被动太阳能采暖卫生院中，大多数卫生院的被动太阳能采暖方式是直接受益式加集热墙。只有一个是单纯直接受益式，两个为阳光间。这三种采暖方式示于图1、图2和图3。图1:不同被动太阳能采暖方式卫生院外立面图2:阳光间、天窗和可移动保温板与过去我国的被动太阳能采暖设计比较，这批太阳能采暖卫生院最重要的改进是对直接受益窗的设计和保温，例如设计了弧形的直接受益窗和天窗，而且多数直接受益窗都设计了可移动夜间保温，虽然只能采用人工启闭方式，但窗的集热保温性能得到了极大提高。2.2围护结构保温包括墙、屋顶等外围护结构的保温是被动式太阳能采暖设计的关键要素。这批被动太阳能采暖卫生院外墙的保温有两种方法：夹心保温墙和外保温墙。夹心墙的常规做法是240mm厚承重砖墙,100～120mm厚聚苯板和120mm厚外保护墙。外保温则采用外贴100mm厚岩棉板。图3:直接受益窗和可移动夜间保温板3.工程验收3.1红外热像图验收组使用红外热像仪检测了各个被动太阳能采暖卫生院外围护结构的热性能。在29个卫生院中，只有甘肃省康乐县虎关卫生院采用外墙外保温做法，其它卫生院全部为夹心墙保温。从红外热像仪的检测结果可以看出：采用外保温做法的墙体，其温度分布比夹心保温墙更为均匀，没有明显的热桥。两种不同保温墙的热像图示于图4。此外，在两面外墙和屋顶的结合处，存在明显的热桥，但是这种情况在质量较好的城市节能建筑中也有发现，需要通过今后的技术进步来逐步解决。显然，外保温墙的热性能要优于夹心保温墙。17.3℃18.9℃18LI01LI0218.0℃19.8℃1819LI01LI02LI0319.8℃21.6℃2021LI01LI02LI03LI03图4：红外热像图——外墙外保温（左），夹心墙保温（中），外墙、屋顶结合处（右）23.2动风压试验动风压试验的目的是检测各被动太阳能采暖卫生院的被动太阳能部件——直接受益窗的气密性。动风压试验的试验方法和判定依据是根据国家标准：“建筑外窗气密性能分级及检测方法”GB/T7107—2002and建设部行业标准：“PVC塑料窗”JG3018。试验检测设备由国家建筑工程质量监督检验中心于1999年研制开发完成。主要技术参数如下：检测项目：空气渗透、雨水渗透、风压变形性能；气密：压差±500Pa流量200m3/h控制方式：闭环反馈数字控制、可手动；软件：Windows95/98平台VB/VC混合编程；传感器：压差、位移、流量、温度、大气压；数据处理：开放式Access数据库；数据转换：16位高精度A/D转换图5：技术人员进行现场动风压试验检测和计算机动风压试验数据曲线在国家标准中窗户的气密性能划分为3级，各级的气密性能见下表。levelⅤⅣⅢⅡⅠQ0m3/mh0.51.52.54.06.0根据气密性能试验，29个卫生院中的绝大多数（21个）窗户的气密性能属Ⅳ级,只有8个卫生院的窗属Ⅲ级。.4.性能监测评估4.1监测从2003年11月至2004年4月采暖季对被动太阳能采暖卫生院进行了性能监测和评估。监测的参数包括水平面太阳总辐照量、温度、湿度和CO浓度。监测仪表有太阳总辐射表、记录仪，温湿度自记仪和CO报警记录仪。选择了18个非太阳能采暖卫生院（每省6个）进行节能效益对比监测。在每一个太阳能采暖卫生院和对比卫生院中安装的监测仪表有：a.温度：室内3个测点，室外1个测点，27个太阳能采暖卫生院和18个对比卫生院；b.湿度：室内1个测点，室外1个测点，27个太阳能采暖卫生院和18个对比卫生院；c.室内CO：室内1个测点，6个太阳能采暖卫生院和18个对比卫生院；d.水平面太阳辐照量：室外1个测点，9个太阳能采暖卫生院(每省3个)3图6：太阳总辐射表、记录仪，温湿度自记仪和CO报警记录仪4.2评估根据从被动太阳能采暖卫生院和对比卫生院得出的全采暖季监测数据，做出分析评估如下：4.2.1室内温度由于采用了被动太阳能采暖建筑设计，产生了两方面的效果，一是推迟了必须在房间内设置采暖设施的时间，二是卫生院的冬季平均室温有大幅提高。通常农村房屋冬季室内的热环境是比较差的，而这次质量较好的一批被动太阳能采暖卫生院，在不采取任何采暖措施的情况下，测试期间的平均室温均在10℃以上。以三省较好的三所卫生院为例，无采暖设施测试期的室温效果见下表：表1：三省典型被动太阳能采暖卫生院无采暖设施条件测试期的室温效果名称平均室温℃最高平均室温℃最低平均室温℃室外气温℃甘肃定西县青岚乡卫生院12.222.97.50.8山西左权县石匣乡卫生院14.123.57.10.4青海民和县前河乡卫生院12.119.57.30.3由于这批被动太阳能采暖卫生院的设计水平和施工质量各有不同，各地的气象条件也有差别，所以实际达到的冬季室温效果有所差别，但与非太阳能采暖卫生院相比，冬季的室内温度均有较大幅度的提高。被动太阳能采暖卫生院室温提高的幅度范围如下：采暖季平均温度：提高约4.4～10.8℃；采暖季平均最高温度：提高约4.3～13.8℃;采暖季平均最低温度：提高约4.2～11.3℃4.2.2室内CO浓度中国北方贫困地区的绝大多数乡镇卫生院的冬季采暖均采用室内煤炉，因此经常发生室内CO浓度超标的危险。根据监测结果，CO的最高浓度是766ppm——超过安全标准——50ppm的15倍。非太阳能采暖卫生院CO浓度超过安全标准50ppm的小时数在48—336小时。但是在太阳能采暖卫生院的最高CO浓度仅有8ppm。4.2.3节能费用29个被动太阳能采暖卫生院在整个采暖季节约的燃煤数量范围为18吨至42吨。全采暖季的节能4费用是5321.19至16894.28元。4.2.4静态回收年限由于被动太阳能采暖卫生院的节能效益，节省的冬季采暖费用可以补偿增加的初投资，这29个被动太阳能采暖卫生院的静态回收年限（未考虑贷款利率、维修费等因素）是4至13年。5.增设主动太阳能供热采暖系统的可行性分析从前面的被动太阳能建筑设计和实际监测的采暖效果可知，29个被动太阳能采暖乡镇卫生院的围护结构节能均达到了当地65%以上的节能设计指标，围护结构能耗的大幅度降低就给进一步实施主动太阳能采暖措施创造了良好条件。北京地区的非节能建筑——清华阳光能源公司办公楼的地板辐射太阳能采暖系统，所采用的太阳集热器和采暖房间面积之比为1：4，即1平方米的集热器面积提供4平方米房间面积的供暖能耗需求。经过3年的实测，该建筑所取得的太阳能采暖效果是：白天室温16℃，晚上室温14℃条件下的全采暖季太阳能保证率（供暖负荷中由太阳能提供的比例）为77%。因此，对于采用被动太阳能采暖建筑设计的乡镇卫生院，地板辐射太阳能采暖系统的太阳集热器和采暖房间面积之比可加大到1：10左右，同样室温条件的太阳能保证率应在60%以上。所以，建筑面积200m2的卫生院，所需的太阳集热器面积约为20m2。以目前太阳能集热系统的一般投资价格——折算为每平米集热器2000元计，太阳能采暖的增投资约为4万元，在经济上完全可行。根据前述效益分析，利用节约的常规能源采暖费用，增投资可在5～10年内回收。6.结论过去中国北方贫困地区乡镇卫生院的室内热环境很差：冬季最冷月的平均室内温度一般是在5℃左右，而且最低温度常常低于0℃。置于室内的采暖煤炉经常发生中毒危险并造成空气污染。因此，这29个被动太阳能采暖卫生院为乡镇卫生院的建设树立了很好的样板，说明被动太阳能采暖技术非常值得在中国农村地区推广。随着国家对三农问题的日益重视，建设社会主义新农村已成为我国新世纪发展的重要课题，乡镇卫生院的建设关系到8亿农民的健康和切身利益，应该在条件适宜的地区，特别是太阳能资源比较丰富的华北、西北地区积极发展主、被动结合的太阳能采暖乡镇卫生院，使乡镇卫生院的就医环境得到大幅度的提高，使室温环境能够至少达到国家暖通设计规范所规定的最低水平，同时作到节约常规能源，实现可持续发展目标。参考资料[1].李元哲.被动式太阳房热工设计手册.北京：清华大学出版社，1993[2].中华人民共和国行业标准《采暖居住建筑节能检验标准》JGJ132—2001J85—2001.[3].WernerWeiss.SolarHeatingSystemsforHouses,ADesignforHandbookforSolarCombisystems.London:James&James(SciencePublishers)Ltd,20035