北方典型農(nóng)村住宅太陽能輔助采暖優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉慶玉，關(guān) 琦，張 敏，劉曉飛，李占濤，王永超，郭海榮

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110161； 2.遼寧省凌源市農(nóng)村能源辦公室，遼寧 凌源 122500；3.遼寧省建平縣農(nóng)村能源辦公室，遼寧 建平 122400）

0 引言

北方地區(qū)建筑冬季室內(nèi)溫度低、 溫度波動幅度大[1]、采暖能耗高[2]，[3]，環(huán)境污染問題嚴(yán)重。 為節(jié)約建筑能耗，改善居住環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者在建筑節(jié)能優(yōu)化及太陽能利用方面進(jìn)行了大量的研究。

通過能耗模擬軟件對建筑能耗進(jìn)行模擬是建筑節(jié)能優(yōu)化的常用手段[4]，[5]。 祁清華[6]利用 Energy Plus 能耗模擬軟件，對農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的結(jié)果表明，冬季外窗設(shè)置XPS 保溫板可降低夜間的失熱量，增大建筑節(jié)能潛力。 胡粉娥[7]對小型太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明，在采暖代表日，當(dāng)集熱器與采暖房間的面積比約為2∶5 時(shí)，民居室內(nèi)采暖溫度可達(dá)20 ℃。 韓興超[8]在傳統(tǒng)太陽能光熱系統(tǒng)中加入相變儲能模塊，利用相變溫度為58 ℃的相變材料可持續(xù)為用戶提供45 ℃以上的熱水。

綜上所述，已有研究多為利用建筑能耗模擬軟件對建筑設(shè)計(jì)末端的建筑能耗進(jìn)行模擬分析與評價(jià)，缺乏在建筑設(shè)計(jì)初期對建筑形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。 本文以遼寧地區(qū)典型農(nóng)村住宅為研究對象，通過正交試驗(yàn)對農(nóng)村住宅形態(tài)結(jié)構(gòu)及保溫措施進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。 基于建筑能耗模擬軟件DeST計(jì)算出的建筑熱負(fù)荷，比較各節(jié)能措施對建筑能耗的影響，得出節(jié)能農(nóng)村住宅的最優(yōu)方案。 最后，針對太陽能供暖系統(tǒng)普遍存在的供能不穩(wěn)定、成本高、室內(nèi)溫度低的問題，提出了太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖的建筑供熱方案，以期為北方地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 農(nóng)村住宅結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化

1.1 建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

本文選取遼寧省寬甸縣一典型單層獨(dú)棟農(nóng)村住宅（以下簡稱農(nóng)宅）建立基礎(chǔ)模型，原農(nóng)宅層高3.1 m，平面布置如圖1 所示[9]。 外墻采用厚度為370 mm 的紅黏土磚墻，外窗材料采用單層玻璃木質(zhì)平開窗。 建立模型時(shí)保留農(nóng)宅原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件及室內(nèi)空間布局。

圖1 典型農(nóng)宅平面布置圖Fig.1 Plane Layout of Typical Farmhouse

當(dāng)?shù)厝掌骄鶞囟葹?.22 ℃，采暖季平均溫度為-8.31 ℃，年平均太陽能輻射總量為4 524.8 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為 2 326.5 h。 在 DeST-h 軟件中選用寬甸地區(qū)的典型氣象資料作為模擬氣候條件[10]，模擬時(shí)間選取當(dāng)?shù)夭膳冢?1 月 1 日-次年3 月31 日。 為提高居民生活舒適度，節(jié)約能耗，將農(nóng)宅按使用功能進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)設(shè)置[11]：主臥、次臥及起居室溫度均設(shè)為18 ℃，廚房設(shè)為14℃；人員熱擾設(shè)定為3 人，換氣次數(shù)為0.5 h-1；其他室內(nèi)環(huán)境參數(shù)均按農(nóng)村居民生活習(xí)慣設(shè)定[12]。

1.1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以屋頂形式（A）、建筑長度（B）、建筑寬度（C）、建筑層高（D）、東向窗墻比（E）、西向窗墻比（F）、南向窗墻比（G）、北向窗墻比（H）為試驗(yàn)因素，以原農(nóng)宅模型尺寸為基準(zhǔn)確定設(shè)計(jì)因素的水平。屋頂形式因素考察2 個(gè)水平，分別為平屋頂和坡屋頂，其他試驗(yàn)因素考察3 個(gè)水平，見表1。

表1 因素水平統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of factor level

采用 L18（2×37）混合正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分別分析農(nóng)宅在普通6 mm 單層玻璃外窗（a外窗）、普通中空雙層玻璃外窗（中空9 mm）（b 外窗）、鍍 Low-e 膜中空玻璃外窗（高透型）（c 外窗）3 種工況參數(shù)條件下，各試驗(yàn)因素對建筑單位面積累計(jì)熱負(fù)荷的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test scheme and test results

1.1.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2 可知，采用b，c 外窗的農(nóng)宅單位面積累計(jì)熱負(fù)荷明顯低于a 外窗農(nóng)宅，使用熱工性能較好的雙層外窗可以降低約35%的能耗。 在選用保溫性能較好的外窗時(shí)，西向與南向窗墻比越大，單位面積累計(jì)熱負(fù)荷越小。 采用a 外窗與c 外窗的熱負(fù)荷相近。 Low-E 玻璃傳熱系數(shù)低，可以防止室內(nèi)熱量散失，降低采暖能耗，但其太陽輻射透過率低于普通雙層玻璃，導(dǎo)致接受太陽能輻射量低于雙層玻璃。

極差R 值越大，試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，分析結(jié)果見表3（表中僅列出單層玻璃外窗相關(guān)參數(shù)，其他兩種外窗計(jì)算方法同上）。 當(dāng)農(nóng)宅采用a 外窗時(shí)，對農(nóng)宅熱負(fù)荷的影響因素依次為D>B>E>C>H>A>F>G。 采用 b 外窗與 c 外窗對農(nóng)宅熱負(fù)荷的影響類似，依次為D>A>B>C>H>G>E>F。 由此可見，無論采用何種熱工參數(shù)的外窗，農(nóng)宅幾何形態(tài)參數(shù)對建筑熱負(fù)荷影響都相對較大；外窗保溫性能越好，南向窗墻比對建筑熱負(fù)荷的影響越大，當(dāng)外窗保溫性能較差時(shí)，建筑白天接受太陽熱輻射的得熱量與夜晚損失量相抵，導(dǎo)致全年熱負(fù)荷上升。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of test results

設(shè)計(jì)因素的最優(yōu)組合與所選評價(jià)指標(biāo)建筑熱負(fù)荷有關(guān)，因熱負(fù)荷越小越有利于節(jié)能，故選取指標(biāo)小的水平組合作為最優(yōu)方案。結(jié)果表明：當(dāng)農(nóng)宅采用a 外窗時(shí)，最優(yōu)方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0，南向窗墻比0.2，北向窗墻比0，屋頂形式為平屋頂；當(dāng)農(nóng)宅采用保溫性能較好的b 外窗與c 外窗時(shí)，最優(yōu)方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0，屋頂形式為平屋頂。

綜合比較3 種方案，農(nóng)宅采用b 外窗的最優(yōu)方案比其他兩種方案更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能。 為保證建筑的自然采光與通風(fēng)條件良好及居民生活習(xí)慣，將最優(yōu)方案北向窗墻比調(diào)整為0.2。

1.2 保溫材料選擇及參數(shù)優(yōu)化

對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫以降低建筑能耗，提升室內(nèi)溫度。 常見的保溫材料有模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS 板）、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS板）、硬泡聚氨酯板（PUR 板）等[13]；地面保溫材料還有具有保溫特性的頁巖陶粒、爐渣等松散材料。

以原農(nóng)宅為基礎(chǔ)模型，其他參數(shù)不變，分別改變建筑模型外墻和地面的保溫層材料及厚度，建筑單位面積熱負(fù)荷隨參數(shù)變化情況如圖2 所示。在所選厚度范圍內(nèi)，單位面積熱負(fù)荷隨保溫層厚度增加而降低。爐渣和陶粒價(jià)格便宜，原材料易獲得，但保溫性能差且爐渣吸水性大，不利于防水。因此，不建議用爐渣作地面保溫材料。鋪設(shè)聚氨酯泡沫塑料保溫板的外墻及地面，單位面積熱負(fù)荷均低于其他保溫材料。 當(dāng) EPS 板、XPS 板、PUR 板厚度大于50 mm 后，單位面積熱負(fù)荷降幅減弱。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料對農(nóng)宅單位面積熱負(fù)荷影響Fig.2 The influence of exterior wall insulation material on the energy consumption of farmhouse per unit area

通過優(yōu)化原農(nóng)宅的建筑結(jié)構(gòu)與保溫材料參數(shù)后，得出優(yōu)化方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比 0，西向窗墻比 0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0.2，屋頂形式為平屋頂，外窗材料采用b 外窗，外墻及地面保溫材料采用50 mm厚的XPS 板。 屋頂保溫方式對建筑能耗影響顯著，經(jīng)計(jì)算，坡屋頂?shù)跗脚锉乇绕轿蓓攩挝幻娣e節(jié)能約2%。 因此，屋頂保溫形式采用坡屋頂?shù)跗脚锉亍?對完善后的節(jié)能農(nóng)宅最優(yōu)方案進(jìn)行能耗模擬，農(nóng)宅最優(yōu)方案單位面積累計(jì)熱負(fù)荷為48.50 kW·h/m2，比原農(nóng)宅降低 38.4%。

2 太陽能熱水輔助采暖設(shè)計(jì)

因遼寧位于嚴(yán)寒地區(qū)，僅靠被動太陽能采暖不能滿足采暖需求，本文在優(yōu)化原農(nóng)宅建筑結(jié)構(gòu)及保溫材料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了太陽能熱水采暖系統(tǒng)及輔助熱源供熱。圖3 為供暖系統(tǒng)示意圖，太陽能集熱器陣列安裝于建筑物坡屋頂，集熱器采用串-并聯(lián)連接，儲熱水箱、循環(huán)水泵安裝于設(shè)備機(jī)房中。室內(nèi)采用地暖盤管供暖，在地暖盤管上方設(shè)置卵石空氣間層，通過卵石良好的導(dǎo)熱性，將地暖盤管中的熱量充分利用，使地面熱度均勻，提升熱能使用效率[14]。

圖3 太陽能主動供暖系統(tǒng)Fig.3 Solar active heating system

2.1 太陽能集熱器

根據(jù)冬季采暖熱負(fù)荷，計(jì)算太陽能集熱器的面積：

式中：Ac為直接式系統(tǒng)集熱器面積，m2；Qh為建筑物耗熱量，W；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷娣e上的平均日太陽輻照量，J/（m2·d）；f 為太陽能保證率，%；ηcd為基于總面積的集熱器平均效率，本文取37%；ηL為管路及儲熱裝置的熱損失率，%。

冬季采暖熱負(fù)荷為6.131 kW，大于夏季生活用水熱負(fù)荷0.194 kW，將冬季采暖熱負(fù)荷代入式（1），經(jīng)計(jì)算，當(dāng)太陽能提供全部采暖熱負(fù)荷時(shí)，集熱器面積為 30.82 m2。 根據(jù) GB 5095-2009《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，短期蓄熱太陽能供熱供暖系統(tǒng)每平方米太陽能集熱器對應(yīng)儲熱水箱容積為50～150 L，本文取50 L，則若由太陽能提供農(nóng)宅采暖所需的全部能耗，儲熱水箱容積為1.54 m3。 根據(jù)集熱器面積與太陽能集熱系統(tǒng)造價(jià)曲線[15]，太陽能集熱系統(tǒng)費(fèi)用為3.7 萬元。

2.2 輔助采暖方式選擇

因太陽能供暖在連續(xù)陰雨天及夜間不能滿足供暖熱負(fù)荷要求，為了保證采暖系統(tǒng)供應(yīng)質(zhì)量，應(yīng)在采暖系統(tǒng)添加輔助熱源。

2.2.1 常規(guī)采暖方式對比

農(nóng)宅常規(guī)采暖方式的技術(shù)參數(shù)對比如表4 所示。 由表可知，燃?xì)獠膳c電采暖運(yùn)行成本較高；燃煤鍋爐的運(yùn)行成本與生物質(zhì)鍋爐相近。 由于生物質(zhì)儲量豐富，故選用生物質(zhì)鍋爐作為輔助采暖方式。

表4 常規(guī)采暖方式技術(shù)參數(shù)對比Table 4 Technical parameters comparison of conventional heating ways

2.2.2 太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)年節(jié)能量分析

根據(jù)太陽能集熱器供暖提供的熱量占所需供暖總量的百分比，將太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)分為4 種采暖方案，不同采暖方案投資金額 隨采暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的變化情況如表5 所示。

表5 不同采暖方案投資金額隨采暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間變化情況Table 5 The variation of investment amount of different heating schemes with operation time of heating system 萬元

由表5 可知，當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)的供熱量和生物質(zhì)采暖爐的供熱量分別為建筑采暖總需熱量的25%和75%時(shí)，初投資費(fèi)用最小，投資金額為1.33 萬元，且在采暖方案投入使用20 a 內(nèi)，該方案采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低，經(jīng)濟(jì)性最佳。

供暖系統(tǒng)的年節(jié)能量為

式中：ΔQ 為系統(tǒng)節(jié)能量，MJ；Jt為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒獗砻婺晏栞椪樟?，MJ/m2；ηc為管路和水箱的熱損失率，本文取25%。

此方案太陽能集熱器面積為7.75 m2，儲熱水箱容積為0.4 m3，該水箱便于室內(nèi)儲存，解決儲熱水箱冬季保溫問題。 經(jīng)計(jì)算，該太陽能-生物質(zhì)聯(lián)合供暖方案每年可節(jié)約熱量為11 768.85 MJ，與采用普通燃煤鍋爐的農(nóng)宅相比，CO2年排放量減少了 1.3 t。

3 結(jié)論

針對北方地區(qū)農(nóng)宅冬季采暖能耗大、 室內(nèi)溫度低的問題，本文對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低農(nóng)宅熱負(fù)荷，并結(jié)合太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)用輔助采暖系統(tǒng)為建筑供熱，得出以下結(jié)論。

①當(dāng)農(nóng)宅采用單層玻璃外窗時(shí)，對農(nóng)宅熱負(fù)荷的影響因素依次為房屋層高>建筑長度>東向窗墻比>建筑寬度>北向窗墻比>屋頂形態(tài)>西向窗墻比>南向窗墻比； 采用普通雙層玻璃外窗與鍍Low-e 膜中空玻璃外窗對農(nóng)宅熱負(fù)荷的影響類似，依次為房屋層高>屋頂形態(tài)>建筑長度>建筑寬度>北向窗墻比>南向窗墻比>東向窗墻比>西向窗墻比。

②農(nóng)宅的建筑結(jié)構(gòu)和保溫材料參數(shù)最優(yōu)方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0.2，屋頂形式為坡屋頂?shù)跗脚锉兀捎闷胀p層玻璃外窗，外墻及地面保溫材料采用50 mm 厚的XPS 板。 最優(yōu)方案單位面積累計(jì)熱負(fù)荷為48.50（kW·h）/m2，比原農(nóng)宅降低 38.4%。

③利用太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供熱系統(tǒng)為農(nóng)宅供暖，當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)的供熱量和生物質(zhì)采暖爐的供熱量分別為建筑采暖總需熱量的25%和75%時(shí)，初投資金額最小，運(yùn)行費(fèi)用最低，年可節(jié)約熱量11 768.85 MJ。