內蒙古西部超低能耗草原民居多能耦合供暖效能研究

金國輝，任佩瑤

（內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

內蒙古西部地區(qū)緯度高，距離海洋較遠，深居內陸，降水量少，沙化嚴重，生態(tài)環(huán)境亟需保護。同時，冬季漫長而嚴寒，受經濟條件以及自然條件的制約，當?shù)孛窬庸┡绞铰浜螅瑢е略诙静粌H室內溫度低而且熱舒適性差，在室內熱環(huán)境方面不能滿足居民需求。內蒙古西部地區(qū)有著豐富的太陽能、風能等可再生能源，因此，如何利用豐富的可再生能源與傳統(tǒng)民居供暖相結合，提高居民對室內熱環(huán)境的滿意度，成為一項重要的研究課題。

目前，許多學者對于多能互補在供暖系統(tǒng)的領域做了一系列研究。劉慶玉等[1]設計了太陽能輔助采暖系統(tǒng)，結合太陽能-生物質能聯(lián)用輔助采暖系統(tǒng)為建筑供熱。張甫仁等[2]建立一種農村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)，與農村傳統(tǒng)燃煤供暖系統(tǒng)進行對比試驗，表明農村沼氣和太陽能合供暖系統(tǒng)供暖能力強，運行穩(wěn)定。王博淵等[3]提出了一種供暖的設備，并利用Trnsys軟件對設備進行模擬。鄒曉銳等[4]將太陽能和地源熱泵生活熱水系統(tǒng)進行了復合優(yōu)化，并通過動態(tài)模擬軟件對復合系統(tǒng)進行考察以及對比分析，得出最佳方案及優(yōu)化系統(tǒng)。郭宏偉等[5]將空氣源熱泵傳統(tǒng)供暖與聯(lián)合太陽能供暖2種模式進行研究。陳明東和史宇亮[6]提出基于附加陽光間與節(jié)能火墻復合供暖下的熱環(huán)境情況。

由此可知，學者對于室內供暖系統(tǒng)的研究以太陽能和生物質能結合為主，對于太陽能與風能的研究相對匱乏。因此，本文提出一種附加陽光間、風能供熱系統(tǒng)與太陽能供熱系統(tǒng)的聯(lián)合供熱系統(tǒng)，為內蒙古西部民居的室內熱環(huán)境和能源結構優(yōu)化提供一定的參考。

1 研究概況

選取內蒙古西部額濟納旗民居為研究對象，該區(qū)域日照充沛，太陽能充裕，風沙較多，風能儲備充足。研究范圍為額濟納旗農牧民，隨著經濟條件的改善，現(xiàn)在草原民居多為磚混結構，坐北朝南，建筑面積在65～110 m2，家庭人員一般為3～6人。

研究方式為線上問卷調查，對于內蒙古西部草原民居現(xiàn)有供暖模式的室內溫度區(qū)間、冬季供暖模式用能狀況以及居民滿意度3個方面進行調查，共發(fā)放問卷200份，收回問卷190份。

1.1 現(xiàn)有供暖模式及室內溫度區(qū)間

內蒙古西部地區(qū)的居民供暖方式有火炕、土暖氣、火爐、電暖氣以及空調，并以火炕及土暖氣供暖為主，其次火爐與電暖氣使用的戶數(shù)也占有一定比例，極少數(shù)居民采用空調取暖。調查結果如表1所示。

表1 現(xiàn)有供暖模式及室內溫度區(qū)間

1.2 現(xiàn)有供暖模式用能狀況

內蒙古草原民居冬季采暖大多以火炕+土暖氣為主，供暖用能以煤炭、生物質能（薪柴和秸稈）以及電能為主，調研結果如表2所示。

表2 現(xiàn)有供暖模式用能狀況

從表2可以看出，煤炭在供暖用能方面所占比例最高，秸稈和薪柴次之，電能利用比例最小，由此可知，內蒙古西部草原民居冬季使用非清潔能源較多，環(huán)境污染嚴重。

1.3 居民滿意度

問卷調查采用ASHRAE7級熱舒適標度，標度范圍在-3（冷）到+3（熱）之間，表示居民的體感溫度由冷變?yōu)闊?，居民滿意度由不滿意到滿意。結果如表3所示。

表3 居民滿意度調查

由表3可知，單一的采暖方式以及非清潔能源的利用，造成冬季室內熱環(huán)境差，居民滿意度低，無法滿足居民對于室內熱環(huán)境的基本要求。從當前現(xiàn)狀出發(fā)，提出一種基于附加陽光間、風能供熱系統(tǒng)以及太陽能炕采暖系統(tǒng)的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并利用Design Builder軟件進行建模驗證。

2 Design-Builder軟件模擬

2.1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)的構建

本文研究的聯(lián)合供暖系統(tǒng)包括被動式附加陽光間、風能供熱系統(tǒng)以及太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)。

2.1.1 被動式附加陽光間

被動式附加陽光間是利用房屋南向的窗戶，在房屋外部采用玻璃或者塑料布圍成的一定的日光間。白天附加陽光間可以吸收太陽輻射的熱量，提高室內溫度，到了夜間，設置的窗簾可以很好地減少熱量的散失，使得房間處于相當舒適的環(huán)境。陽光間進深為1.4 m[7]。如圖1所示。

圖1 被動式附加陽光間系統(tǒng)模型

2.1.2 風能供熱系統(tǒng)

內蒙古西部地區(qū)風能資源豐富，在對風能采集和利用時，可以將風能轉換為電能進行供暖。在風能供熱系統(tǒng)中，供熱系統(tǒng)利用風能轉換為電能進行發(fā)電，之后儲存在蓄電池中，最后向電暖氣提供電能。采用家用發(fā)電機發(fā)電，功率在1500～5000 W，蓄電池為12V，其他配件若干。如圖2所示。

圖2 風能供熱子系統(tǒng)示意

2.1.3 太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)

由于內蒙古西部民居在采暖期大多使用火炕進行采暖，造成能源消耗以及室內環(huán)境不能滿足居民的需求，在這種現(xiàn)狀下，本文提出了一種太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)火炕進行耦合給室內加熱，主要由集熱器、水箱、管路及炕體構成[8]，如圖3、圖4所示。集熱器選用U型管集熱器，末端供熱系統(tǒng)為太陽能炕，集熱系統(tǒng)采用直接式，輔助熱源在全日自動開啟。采用公稱外徑為20 mm為太陽能炕內的盤管，采暖系統(tǒng)選取真空管型太陽能集熱器，太陽能集熱器的單位面積流量g取0.060 m3/（h·m2），蓄熱水箱容量選取50 L。

圖3 太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)示意

圖4 蓄熱水箱同太陽能炕結合

太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)利用太陽輻射的熱量加熱水箱內的水，再經過水泵通過太陽能炕中的水管加熱炕，最后利用太陽能炕的作用，在對流和輻射的作用下對整個室內進行傳播熱量。

在太陽能與火炕復合采暖的模式下，減輕了單一采用火炕供暖對于室內環(huán)境的影響，對于能源的消耗也有所降低。復合采暖系統(tǒng)充分利用了內蒙古西部太陽能豐富的有利自然條件，在節(jié)約能源以及保護當?shù)丨h(huán)境方面都起到了積極的作用，推動鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展。

2.2 Design-Builder建模

使用Design Builder軟件對建立的聯(lián)合供暖系統(tǒng)模型進行能耗模擬。

2.2.1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)圍護結構參數(shù)設置

對于內蒙古西部超低能耗草原民居進行圍護結構的設置，圍護結構及傳熱系數(shù)如表4所示。

表4 圍護結構及傳熱系數(shù)

2.2.2 房屋內部熱擾值設置

依據(jù)JGJ26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，將室內溫度設置為18℃，換氣次數(shù)為0.5次/h。室內人員為3人，2位成年人和1位青少年。成人平均熱擾值設置為0.93，青少年熱擾值為0.75。

2.2.3 采暖設置

選取該地區(qū)最冷月1月以及2月中旬共45 d作為民居供暖期進行模擬，采暖房間為臥室及客廳，其余房間不考慮采暖。

2.3 室內熱舒適度分析

經過調研，內蒙古西部民居與實行集中采暖的城鎮(zhèn)居民不同，他們根據(jù)自身需要進行取暖。本文選取該地區(qū)最冷月1月以及2月中旬共45 d作為民居供暖期進行模擬，在此期間，室內全部供暖系統(tǒng)開啟，更好地體現(xiàn)供暖系統(tǒng)的效果。模擬過程將45 d以3 d作為一個時間段，以3 d的平均數(shù)作為范格爾預測平均投票值（PMV）進行模擬，對于傳統(tǒng)火炕+土暖氣供暖的聯(lián)合供暖系統(tǒng)模擬結果如圖5所示。

圖5 2種供暖方式下最冷月室內舒適度（PMV值）

由模擬結果可知，聯(lián)合供暖模式下，3d平均室內舒適度PMV值主臥提高了2.2，由（涼）變?yōu)椋ㄖ行裕?，次臥PMV值提高了2.1，由（涼）變?yōu)椋ㄖ行裕?，客廳PMV值提高了1.2，由（稍涼）變?yōu)椋ㄖ行裕?。根?jù)GB 50019—2003《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》，室內標準值為-1≤PMV≤+1，由此可知，在聯(lián)合供暖模式下，室內熱舒適性滿足居民需要，居民滿意度良好。

2.4 能源消耗分析

在傳統(tǒng)火炕+土暖氣的供暖模式下，提出被動式附加陽光間、風能供熱系統(tǒng)以及太陽能炕采暖系統(tǒng)。電散熱器功率設置為60 W/m2，太陽能+火炕復合系統(tǒng)功率設置為20 W/m2，將傳統(tǒng)供暖模式與聯(lián)合供暖模式相關參數(shù)輸入Design Builder模型中，得出在采暖期內傳統(tǒng)供暖模式下，草原民居總能耗為17 738.18 kW·h。折算成標準煤為2.18 t，聯(lián)合供暖模式下，草原民居總能耗為7065.68 kW·h，折算成標準煤為0.87 t。相比傳統(tǒng)供暖模式，聯(lián)合供暖系統(tǒng)節(jié)約能耗10 672.5 kW·h，折算成標準煤為1.31 t，減少二氧化碳排放量4.1 t，減少二氧化硫排放量0.3 t、減少氮氧化物排放量0.15 t，由此可見，聯(lián)合供暖系統(tǒng)優(yōu)化了能源結構。

2.5 價值工程分析

2.5.1 增量成本支出分析

全壽命周期的節(jié)能增量成本是指采用新的節(jié)能技術后相比較于傳統(tǒng)技術增加的成本，本文提出的聯(lián)合供暖系統(tǒng)增加了被動式附加陽光間、風能供熱系統(tǒng)以及太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)，附加陽光間增量成本為11 396元，風能供熱系統(tǒng)增量成本為10 330元，太陽能+火炕復合采暖系統(tǒng)增量成本為3000元。由此可得出整個聯(lián)合供暖模式增量成本為24 726元。各子系統(tǒng)細部構造及成本支出見表5。

表5 各子系統(tǒng)細部構造及成本支出

2.5.2 增量效益分析

全壽命周期的增量效益包括直接經濟效益、間接環(huán)境效益和社會效益，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的增量效益如下：

（1）經濟效益

經Design Builder軟件模擬計算分析，與草原民居傳統(tǒng)供暖模式相比，聯(lián)合供暖系統(tǒng)節(jié)約能耗10 672.5 kW·h，折算成標準煤1.31t，通過市場標準煤的價格750元/t計算[9]，節(jié)約的采暖費用982.5元。

（2）環(huán)境效益

與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)對比，聯(lián)合供暖系統(tǒng)，使得二氧化碳排放量減少4.1 t/年，二氧化硫排放量減少0.3 t/年，氮氧化物排放量減少0.15 t/年，累計環(huán)境效益為1612.5元/年[10]，壽命周期為15年，由此可得出環(huán)境效益為24 187.5元。壽命周期與壽命周期成本關系如圖6所示。

圖6 壽命周期與壽命周期成本關系

（3）社會價值

采暖費用的降低，環(huán)境質量的改善，使得草原居民的生活更加舒適，增強了人們的幸福感，對于生態(tài)環(huán)境的保護以及能源的合理利用有一定的積極作用。

2.5.3 價值工程綜合評價

聯(lián)合供暖系統(tǒng)利用資源最少，實現(xiàn)使用者功能滿足最大化，而價值工程是用以最低的壽命周期成本實現(xiàn)功能最大化，由此可知兩者的本質是近似于一致的。引用價值工程原理，構建公式為：

式中：F、B——增量成本；

C——增量效益；

V——效費比。

通過增量成本與增量效益計算分析，增量成本為24 726元，增量效益為25 170元，利用價值工程公式得出效費比V=1.42>1，由此可知，在聯(lián)合供暖模式下系統(tǒng)產生的效益大于支出，聯(lián)合供暖系統(tǒng)在內蒙古西部草原民居具有可實施性。

3 結論

（1）內蒙古西部民居采暖方式主要為傳統(tǒng)的火炕，使用土暖氣次之，小部分民居采用火爐，以電暖氣還有空調作為采暖方式比例最小，室內溫度區(qū)間在11～15℃。冬季供暖用能以煤炭、生物質能（薪柴和秸稈）以及電能為主。在對能源造成一定浪費的同時，帶來了民居室內熱舒適性不能滿足居民的需求的影響。

（2）利用Design Builder軟件對于聯(lián)合供暖系統(tǒng)進行模擬計算得出，聯(lián)合供暖模式下，2個臥室及客廳的PMV值都得到提高，居民對室內舒適度感到滿意。與此同時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)節(jié)約能耗10 672.5 kW·h，折算成標準煤1.31 t，減少二氧化碳排放量4.1 t，減少二氧化硫排放量0.3 t、減少氮氧化物排放量0.15 t，增量效益突出。

（3）通過增量成本與增量效益的計算與分析，增量成本為24 726元，增量效益為25 170元，效費比V=1.42>1，證明聯(lián)合供暖系統(tǒng)在改善內蒙古額濟納旗的民居室內熱環(huán)境可行性較強。