我國(guó)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(dú)特。在這樣的特殊條件下，希望通過(guò)太陽(yáng)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(duì)新疆北部邊防哨樓太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了初步的分析探討。

　　我國(guó)西北新疆地區(qū)冬季長(zhǎng)，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(yáng)能采暖氣候區(qū)劃劃分，新疆屬適宜區(qū)；按太陽(yáng)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(yáng)能采暖來(lái)改善室內(nèi)熱環(huán)境，同時(shí)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(zhǎng)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(chǎng)所，即我們的采暖房間。

　　太陽(yáng)能采暖建筑一般可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類

　　被動(dòng)式太陽(yáng)房是通過(guò)建筑獻(xiàn)身和周?chē)�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(yáng)熱能，從而解決建筑物的采暖問(wèn)題。被動(dòng)式太陽(yáng)房是一種讓陽(yáng)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(dòng)力和機(jī)械設(shè)備，幾乎沒(méi)有什么運(yùn)行費(fèi)用，幾乎沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)。

　　主動(dòng)式太陽(yáng)房是以太陽(yáng)能集熱器、管道、散熱器、風(fēng)機(jī)或泵、貯熱裝置等組成的強(qiáng)制循環(huán)的太陽(yáng)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(fèi)一定量的常規(guī)能源。

　　哨樓所處地區(qū)十分寒冷，僅靠被動(dòng)式太陽(yáng)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(dòng)式太陽(yáng)能采暖方式，可以最大限度地利用太陽(yáng)熱能。在主動(dòng)式采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，盡量利用自然循環(huán)壓頭，少用電能。并且，因?yàn)橹鲃?dòng)式采暖系統(tǒng)調(diào)控靈活、方便，可能實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)部分同時(shí)或單獨(dú)工作，或機(jī)械循環(huán)或自然循環(huán)工作方式。被動(dòng)式采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yáng)能的利用率。

　　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(shí)，對(duì)觀察室建筑材料、平面隔斷重新選擇、設(shè)計(jì)，在四樓觀察室采暖房間外墻、頂棚、地面作保溫設(shè)計(jì)。保溫層采用100mm厚巖棉板。在觀察室南側(cè)設(shè)置陽(yáng)光間，隔斷墻將觀察室與陽(yáng)光隔開(kāi)。見(jiàn)圖1.隔斷墻為240mm厚磚砌成。上部開(kāi)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(shí)必須開(kāi)窗；墻下部開(kāi)300×200㎡循環(huán)孔，該孔可與鳳管孔洞結(jié)合起來(lái)。

　　陽(yáng)光間三面墻采用雙層玻璃墻，有一人雙層玻璃門(mén)，玻璃墻外設(shè)夜間保溫活動(dòng)裝置，陽(yáng)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(yáng)光透過(guò)陽(yáng)光間玻璃層，一部分可直接進(jìn)入采暖房間，一部分被陽(yáng)光間地面和隔斷墻吸收轉(zhuǎn)換成熱量貯存起來(lái)，然后通過(guò)熱空氣循環(huán)和墻體的熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間。

　　太陽(yáng)能集熱器有平板型庥熱器和聚光型集熱器兩種。對(duì)于僅僅以供熱為目的的采暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用平板型低溫集熱，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)，減少散熱、節(jié)省投資。安裝、運(yùn)行、管理均比較方便。同時(shí)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(lái)也可用于太陽(yáng)能制冷�！∫话悖�采用水式集熱的應(yīng)用較多，方法、設(shè)備也較成熟。我們?cè)敿?xì)比較了水式集熱和空氣式集熱的優(yōu)缺點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)，空氣式集熱器要便宜些，而且不存在凍結(jié)、腐蝕等問(wèn)題。在嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)問(wèn)題是非常突出的問(wèn)題。所以無(wú)凍結(jié)這一優(yōu)點(diǎn)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(duì)收集同樣的熱量，空氣式所需要的循環(huán)動(dòng)力、風(fēng)道、蓄熱體均比水工大許多，相應(yīng)地增加了造價(jià)。

　　水式系統(tǒng)一般采取一些防凍措施來(lái)防止凍裂發(fā)生。對(duì)于西北邊疆嚴(yán)寒地區(qū)，室外氣溫連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間處于冰點(diǎn)以下。防凍問(wèn)題異常嚴(yán)峻。若采用乙二醇鹽水溶液，要使冰點(diǎn)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?cè)O(shè)計(jì)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(jì)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(yáng)臺(tái)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(yáng)光間地板面穿孔通過(guò)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。

　　在太陽(yáng)房無(wú)其它輔助熱源情況下，通過(guò)面積為4.64㎡的陽(yáng)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(duì)室內(nèi)可達(dá)到的空氣溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

　　式中：Ta：月平均室外氣溫，℃；

　　SM1：被動(dòng)部分月有效得熱量，KJ；

　　SM2：主動(dòng)部分月有效得熱量，KJ；

　　M：每月天數(shù)，d；

　　Qob：通過(guò)其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)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(dòng)，Qin=10368KJ/d；

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

　　預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果列于表1。

　　表1室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)計(jì)算表

序號(hào)　項(xiàng)目　符號(hào)　單位　11月　12月　1月　2月　3月　1　被動(dòng)部分月有效得熱量　SM1　103KJ　1724　1631　1909　2021　1960　2　主動(dòng)部分月有效得熱量　SM2　103KJ　533　229　447　782　935　3　其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量　Qob　KJ/d　3150　2281　3212　5618　8387　4　每月天數(shù)　M　D　30　31　31　28　31　5　月平均室外氣溫　Ta　℃ 　-5.2　-14.1　-17.0　-15.1　-6.1　6　平均溫度升高值　ΔT　℃ 　18.4　15.0　18.6　24.1　23.2　7　室內(nèi)平均氣溫　Tr　℃ 　13.2　0.9　1.6　9.0　17.1　

 

　　由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，在太陽(yáng)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(yáng)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(shuō)明在極嚴(yán)寒的地區(qū)，僅靠太陽(yáng)能采暖而無(wú)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(jì)目標(biāo)，必須增設(shè)其它輔助熱源。

　　7.1針對(duì)邊防哨樓地處嚴(yán)寒地區(qū)的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了被動(dòng)式和主動(dòng)式相結(jié)合的采暖方法，極大限度地利用太陽(yáng)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(yáng)能采暖設(shè)計(jì)開(kāi)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(jì)了陽(yáng)光間，達(dá)到與建筑的和諧統(tǒng)一。

　　7.4經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)計(jì)算，通過(guò)主、被動(dòng)式太陽(yáng)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(shí)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(yáng)能采暖很難達(dá)到民用建筑采暖室內(nèi)溫度要求。