嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)宅附加太陽房采暖能耗及節(jié)能分析

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

在我國城鎮(zhèn)化背景下和新農(nóng)村建設(shè)中，廣大農(nóng)村人民的生活質(zhì)量成為了小康社會建設(shè)的重要議題[1-2]，隨著生活水平的日益富足，農(nóng)村居民對住宅的熱舒適性要求也越來越高。尤其在我國嚴(yán)寒地區(qū)，這里冬季尤其漫長且寒冷，嚴(yán)寒氣候?qū)е铝瞬膳瘯r間長、采暖能耗大，農(nóng)村住宅室內(nèi)溫度每提高1℃采暖能耗都會成倍地增加。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅采暖能耗占總能耗的60%以上，且與氣候條件相近的發(fā)達(dá)國家相比,這一數(shù)據(jù)約是發(fā)達(dá)國家的數(shù)倍[3]。長期以來，農(nóng)村地區(qū)特別是嚴(yán)寒地區(qū)的廣大農(nóng)村，農(nóng)村住宅仍使用火炕、火墻和火爐等分散式落后的采暖方式,能量利用率低，熱效率只15%左右[4]，采暖能耗大幅增加。燃料以煤炭等不可再生能源為主，冬季采暖時就會產(chǎn)生大量的二氧化碳、二氧化硫及顆粒物，加劇了冬季霧霾的肆虐，對區(qū)域建筑節(jié)能與環(huán)保都是極大的挑戰(zhàn)。

我國具有豐富的太陽能資源，根據(jù)我國太陽能資源分布情況，嚴(yán)寒地區(qū)的太陽輻射量相當(dāng)于170～200 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量[5]，且與煤炭、石油等常規(guī)化石燃料相比，太陽能具有普遍、清潔、長久、量大的優(yōu)點[6]，節(jié)能環(huán)保潛力十分巨大。將建筑物與太陽能結(jié)合起來的被動式太陽房在極大程度上解決了太陽能豐富地區(qū)的采暖需求[7]，在農(nóng)村住宅外附加太陽房是被動的對太陽能的獲取與利用，這樣就可以以空氣作為媒介，通過熱空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間，使室內(nèi)溫度升高，熱舒適性增加[8]，同時解決了分時、按需供暖導(dǎo)致的清晨溫度迅速下降的問題，晝夜溫度波動減小。且建筑外附加太陽房使用壽命長，保溫效果好，在施工中不增加建造費用，在實際使用過程中不增加維護(hù)費用，所以在全國各地，尤其在追求低技術(shù)建筑節(jié)能的嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅中，都有普遍的應(yīng)用。

迄今為止，我國對被動式太陽房的推廣和研究從未停止過，很多地區(qū)都已經(jīng)陸續(xù)啟動了對既有建筑附加太陽房的節(jié)能研究。張國艷[9]等通過軟件模擬計算內(nèi)蒙地區(qū)某公寓的被動式太陽房改造前后的能耗，結(jié)果表明在北方地區(qū)附加太陽房節(jié)能效果顯著，附加太陽房僅需15.93 W/m2的熱量就能滿足房間的采暖需求；鄧元媛[10]等對西藏偏遠(yuǎn)縣城樓房進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造，保溫性能比國家標(biāo)準(zhǔn)高20%后，發(fā)現(xiàn)使用直接受益式太陽房具有良好的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益，能耗及運(yùn)行費用可節(jié)約50%以上，僅需2.4年就可以回收成本；李金平[11]等結(jié)合甘南藏區(qū)民居特點，發(fā)現(xiàn)太陽能主被動聯(lián)合采暖系統(tǒng)很好滿足了建筑采暖需求，且采暖季節(jié)省標(biāo)煤4.3 t，證實了系統(tǒng)的可行性。陳明東[12]等對附加太陽房的房間及對比房的監(jiān)測分析，證明在無室內(nèi)輔助熱源時附加太陽房后平均空氣溫度高3.8℃，最高溫差可達(dá)7.2℃；王選[13]等以青海省藏區(qū)農(nóng)牧民住宅為對象，模擬研究了室內(nèi)逐時溫度變化情況，文章指出建筑外附加太陽房的效果更好且太陽房含集熱蓄熱墻式比直接受益式采暖期室內(nèi)空氣最低溫度高1.7℃，比附加陽光間式高3℃。

前人對太陽房技術(shù)有較為詳細(xì)的研究，但針對嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽房的節(jié)能效果研究較少，實際上被動式太陽房技術(shù)在冬季采暖能耗大、經(jīng)濟(jì)相對落后、環(huán)境污染嚴(yán)重的嚴(yán)寒地區(qū)發(fā)展度更為迅速，在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽房技術(shù)的研究及普及都具有十分重要的意義[14]。所以本文針對嚴(yán)寒地區(qū)，以嚴(yán)寒地區(qū)某處代表性農(nóng)宅為例，對附加太陽房前后的采暖能耗情況進(jìn)行對比分析，研究太陽房的節(jié)能效果，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽房的研究和工程應(yīng)用推廣提供理論支持。

1 方法和參數(shù)

為研究嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽房對室內(nèi)采暖能耗的影響，本文基于EnergyPlus并使用三維建模工具Sketchup和Openstudio插件進(jìn)行聯(lián)合建模。

1.1 建筑參數(shù)

如圖1所示，該代表性農(nóng)村住宅建筑位于嚴(yán)寒氣候某地區(qū)。平面如圖2(左)所示，是傳統(tǒng)“老三間”式住宅，即中間為入口處的門廳，內(nèi)有灶臺使門廳兼具廚房的功能，門廳兩側(cè)為東西兩個臥室，臥室北側(cè)有火炕，臥室承載了日常起居會客的主要功能。該建筑為平屋頂、磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積95 m2、層高3.2 m、長12.6 m、寬7.6 m，南北向各開啟三扇長窗，窗臺高度0.95 m且窗高1.45 m，北側(cè)窗相比于南側(cè)窗略小，均為鋁合金框中空玻璃窗。

如圖2(右)所示緊靠在農(nóng)村住宅主體的南側(cè)外附加了面闊和層高與其相同，建筑進(jìn)深為1.5 m的太陽房，太陽房的陽面(南向)為大面積鋁合金框中空玻璃窗。農(nóng)村住宅及太陽房的建筑構(gòu)造和材料參數(shù)如表1所示。

表1建筑構(gòu)造參數(shù)

構(gòu)造傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1熱惰性指標(biāo)外墻外保溫黏土磚墻0.5455.939內(nèi)墻黏土磚墻0.4211.536屋頂聚氨酯保溫屋面0.7131.149地面重砂漿黏土N/A2.853窗中空玻璃窗1.8N/A

如圖3所示在軟件中建立原農(nóng)村住宅(左)和附加太陽房的農(nóng)村住宅(右)的三維模型。

1.2 氣象參數(shù)

氣象參數(shù)選用了安達(dá)市氣象數(shù)據(jù)，安達(dá)市地處黑龍江省西南部松嫩平原，該地區(qū)氣候特點是：冬季寒冷有雪，春秋季風(fēng)多有雨；采暖期時間長(10月18日至次年4月5日)，共約6個月；太陽輻射量大，日照豐富。在采暖期內(nèi)室外干球溫度最低可達(dá)到-28℃，平均約在-9.1℃，太陽輻射量平均也可達(dá)到150 W/m2。根據(jù)EnergyPlus軟件自帶天氣數(shù)據(jù)庫整理整個采暖季的室外逐時干球溫度和太陽輻射量數(shù)據(jù)如圖4所示。

1.3 室內(nèi)設(shè)計溫度

農(nóng)村住宅冬季的采暖方式主要是門廳灶臺和室內(nèi)火炕，兩種方式都需要大量燃燒薪柴及煤炭，采暖方式落后且能源利用效率不高。一般農(nóng)村住宅室內(nèi)分為早中晚三個時段按時按需采暖，通常在灶臺做飯時間接加熱火炕，并非24 h不間斷烘暖。由于供暖方式和供暖時段的限制，住宅內(nèi)供暖溫度相對于城市供暖較低，根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村住房節(jié)能技術(shù)導(dǎo)則》，農(nóng)村住房主要房間冬季采暖室內(nèi)設(shè)計計算溫度為14℃到18℃，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)舒適的溫度。

由于農(nóng)民日常起居和生活習(xí)慣與城市有較大區(qū)別，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用窠?jīng)濟(jì)狀況、日常習(xí)慣及室內(nèi)熱舒適性要求，本文選取的室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為全天24 h 14℃、16℃、18℃、20℃四組進(jìn)行研究，即研究模擬滿足門廳、東西臥室冬季適宜溫度所需要的能耗情況。

2 模型驗證

為驗證該模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文主要研究對象為無主動采暖系統(tǒng)的太陽房，所以根據(jù)周文倩等[15]給出的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。該建筑為位于濟(jì)南市的二層別墅，室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)為除車庫外各房間冬季溫度為20℃，夏季為26℃，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)熱擾及作息安排等參見文獻(xiàn)[15]。對該建筑全年能耗進(jìn)行對比分析。

從表2可以看出，本文模擬結(jié)果要略高于文獻(xiàn)中的模擬結(jié)果，偏差在2.3%，在誤差允許的范圍內(nèi)，EnergyPlus用于計算室內(nèi)能耗的模擬結(jié)果相近，模型準(zhǔn)確可信。因此可以利用EnergyPlus對室內(nèi)采暖能耗進(jìn)行模擬分析。

表2總能耗模擬結(jié)果

本文模擬結(jié)果文獻(xiàn)模擬結(jié)果偏差/[%]總能耗/kW·h11 098.0810 848.56單位面積能耗/kW·h·m-249.0747.972.3單位采暖面積能耗/kW·h·m-254.5453.31

3 計算結(jié)果和分析

本文使用EnergyPlus軟件對原農(nóng)村住宅以及外附加太陽房的農(nóng)村住宅冬季采暖能耗進(jìn)行模擬分析。分為在不同室內(nèi)采暖設(shè)計溫度(14℃、16℃、18℃、20℃)下的最冷日(1月21日)的逐時能耗、最冷月(1月)的逐日能耗以及采暖期(10月18日至次年4月5日)的逐月能耗及總能耗，比較分析其節(jié)能效果。

3.1 太陽房溫度

如圖5所示為最冷日(1月21日)太陽房內(nèi)溫度隨室外溫度和太陽輻射強(qiáng)度的變化情況，室外氣象數(shù)據(jù)同樣根據(jù)EnergyPlus自帶EPW氣象文件整理出來，該日室外氣候特點為溫度低、太陽輻射強(qiáng)但波動大、時間短。當(dāng)日室外溫度在-24.3～-13.9℃之間，16時的室外溫度達(dá)到峰值，后逐漸降低；室外太陽輻射時間為7時至18時，14時達(dá)到太陽輻射峰值512 W/m2，其中太陽輻射量于12時降低為33.3 W/m2，由于室外陰天的原因該時刻室外輻射量極低，但隨后升高。

由于太陽房內(nèi)并無供暖，內(nèi)部溫度大多數(shù)時間比室內(nèi)設(shè)定的采暖設(shè)計溫度略低，且晝夜溫度波動大，溫度變化范圍在1.5～15.5℃。如圖5所示，太陽房內(nèi)溫度隨著室外溫度和太陽輻射量的變化而波動，在12時隨著室外太陽輻射量的減少而明顯降低，且在14時隨太陽輻射值達(dá)到峰值而達(dá)到溫度最高值，在夜晚太陽輻射為0 W/m2時，太陽房內(nèi)溫度隨室外溫度降低而明顯降低。

3.2 采暖能耗

圖6為最冷日(1月21日)農(nóng)村住宅附加太陽房前后逐時采暖能耗，圖7為該日總采暖能耗。由圖可知最冷日農(nóng)村住宅附加太陽房后逐時采暖能耗均有大幅度降低，時刻能耗差最大為1.8 kWh，最冷日總能耗差最大為16.2 kWh，節(jié)能率最大達(dá)到22.57%，節(jié)能效果顯著。

在不同室內(nèi)采暖設(shè)計溫度的情況下節(jié)能效果也有所差別，隨著采暖設(shè)計溫度提高，采暖能耗基數(shù)變大，附加太陽房前后采暖能耗差值越大；采暖能耗波動程度降低，晝夜溫差減小。不同采暖設(shè)計溫度下逐時采暖能耗均隨著室外溫度和太陽輻射度的升高逐漸降低，并在14時，室外太陽輻射量最大且太陽房溫度最高時達(dá)到采暖能耗最小值。室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為14℃和16℃時，逐時能耗分別平均降低0.16 kWh和0.38 kWh，但此兩種室內(nèi)設(shè)計溫度下的14時，附加太陽房后的能耗比原無太陽房住宅的能耗略高，這是由于在室內(nèi)采暖設(shè)計溫度略低和室外太陽輻射量充足的情況下，太陽房的溫度作用略有下降，大面積的玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)同樣帶來大量的熱量散失。室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為18℃和20℃時，逐時能耗分別平均降低0.58 kWh和1.19 kWh，在此兩種內(nèi)設(shè)計溫度下，相較于前兩種設(shè)計采暖溫度，能耗基數(shù)變大，能耗降低量增加，節(jié)能效果提升，18℃時日節(jié)能率最大達(dá)到22.57%。

圖8為最冷月(1月)農(nóng)村住宅附加太陽房前后逐時采暖能耗，圖9為該月總采暖能耗。由圖可知在最冷日農(nóng)村住宅附加太陽房后逐時采暖能耗均有大幅度降低，采暖能耗隨圖4所示的室外溫度及太陽輻射量波動，其中日采暖能耗最高可降低20.1 kWh，日節(jié)能率隨著采暖設(shè)計溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，最高達(dá)22.71%。

不同采暖設(shè)計溫度時，節(jié)能效果也不同。室內(nèi)溫度14℃時，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到16.13%，但于1月13日附加太陽房采暖能耗略大于原住宅采暖能耗，這是由于該日室外平均溫度為-10.2℃但太陽輻射量為64.9 W/m2的較低值，太陽房使用效果不佳；室內(nèi)溫度16℃時，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到20.07%；室內(nèi)溫度18℃時，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到22.71%；室內(nèi)溫度20℃時，日最大節(jié)能率于1月18日可以達(dá)到19.19%。此三種采暖設(shè)計溫度下，能耗基數(shù)變大但節(jié)能效果提升。

圖10為采暖期農(nóng)村住宅附加太陽房前后逐月采暖能耗。由圖可知在整個采暖期農(nóng)村住宅附加太陽房后逐時采暖能耗均有大幅度降低，且均在最冷月(1月)降低量最多，在1月前后逐步降低。月采暖能耗最高可降低477.59 kWh，月節(jié)能率最高為27.04%。

不同采暖設(shè)計溫度時，節(jié)能效果也不同。室內(nèi)溫度14℃時，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到12.65%；室內(nèi)溫度16℃時，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到20.07%；在此兩種室內(nèi)設(shè)計溫度下，由于室內(nèi)所需溫度較低，四月和十月不需要供暖，采暖能耗為0 kWh。室內(nèi)溫度18℃時，月最大節(jié)能率于3月可以達(dá)到27.04%；室內(nèi)溫度20℃時，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到22.57%。在此兩種室內(nèi)設(shè)計溫度下，四月和十月也需少量采暖能耗，且其余各月能耗基數(shù)變大但節(jié)能效果提升。

圖11為農(nóng)村住宅附加太陽房前后采暖期的總能耗，由圖可知，室內(nèi)采暖設(shè)計溫度每升高2℃,采暖能耗呈1.4～2.7倍增長，采暖設(shè)計溫度為20℃的采暖能耗為14℃的6.7倍。

室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為14℃時，附加太陽房可以減少總采暖能耗194.35 kWh，節(jié)能率為10.73%；室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為16℃時，附加太陽房可以減少總采暖能耗846.48 kWh，節(jié)能率為17.36%；室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為18℃時，附加太陽房可以減少總采暖能耗1 992.60 kWh，節(jié)能率為22.73%；室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為20℃時，附加太陽房可以減少總采暖能耗2 340.92 kWh，節(jié)能率為19.42%。室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為14℃、16℃、18℃時，附加太陽房均有很好的效果，且18℃時節(jié)能率最高，節(jié)能效果最佳；當(dāng)室內(nèi)采暖溫度達(dá)到20℃時，采暖能耗急劇增加，節(jié)能率降低。

4 結(jié)論

本文以嚴(yán)寒氣候某地區(qū)的一處代表性農(nóng)村住宅為例，基于EnergyPlus模擬研究了該農(nóng)村住宅室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為14℃、16℃、18℃和20℃四種情況下，附加太陽房前后的最冷日、最冷月、采暖期的采暖能耗情況，通過對能耗模擬結(jié)果的對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽房可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)溫度并使夜晚室內(nèi)溫度波動程度變小，晝夜溫差減小，有效提高了室內(nèi)舒適度。

(2)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽房后有效降低建筑采暖能耗，采暖期總節(jié)能率最高達(dá)22.73%，經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益均十分明顯。

(3)在不同室內(nèi)采暖溫度下采暖能耗的降低效果不同，節(jié)能效率也不同。室內(nèi)采暖設(shè)計溫度每升高2℃，總能耗呈1.4～2.7倍增長，采暖設(shè)計溫度為20℃的采暖能耗為14℃的6.7倍。當(dāng)采暖設(shè)計溫度為18℃時農(nóng)村住宅附加太陽房的節(jié)能效率最高。