封廈處理對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅供暖需求影響

王典鵬 劉猛* 徐文璐 何昱潔

1 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

2 重慶大學(xué)綠色建筑與人居環(huán)境營(yíng)造國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室

3 國(guó)家級(jí)低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心

0 引言

探究寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅在實(shí)際應(yīng)用條件下的供暖需求是推進(jìn)清潔供暖改造的重要工作，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)供暖需求的影響尤其明顯[1-2]。相比城市，寒冷地區(qū)農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求更低[3-4]，因此，無(wú)法滿足城市住宅要求的構(gòu)造做法可能具備在農(nóng)村推廣的潛力，比如：封廈處理（附加陽(yáng)光間），即在入戶門外墻與外界空間之間增加玻璃幕墻緩沖空間。已有研究關(guān)注封廈處理在不同氣候情況下節(jié)能潛力[5-6]，陽(yáng)光間玻璃類型、玻璃數(shù)量、填充氣體類型和氣體層厚度對(duì)封廈節(jié)能效果的影響[7]，封廈處理與相變材料、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)等結(jié)合的節(jié)能效益[8-9]等等。上述研究多默認(rèn)供暖設(shè)備不間斷運(yùn)行，實(shí)際上“部分時(shí)間、部分空間”的間歇運(yùn)行工況較為常見(jiàn)[10]。

綜上所述，現(xiàn)有研究忽視了農(nóng)村住宅典型的供暖工況，缺乏對(duì)封廈處理節(jié)能效果的對(duì)照性評(píng)估。本研究以按照標(biāo)準(zhǔn)限制進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工改造后的節(jié)能效果作為參考值，對(duì)封廈處理在寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅典型供暖工況下的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估。

1 研究方法

根據(jù)山東省濟(jì)寧市、山西省太原市等地區(qū)的調(diào)研結(jié)果與既有研究，總結(jié)出農(nóng)村典型戶型特點(diǎn)：供暖房間較為集中，供暖建筑體中央一間為起居室，東西兩側(cè)各有1～2 間臥室，輔助用房分布在庭院中，如圖1所示。其中有色填充部分的房間表示主要供暖房間，只進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工改造的住宅沒(méi)有“封廈處理（附加陽(yáng)光間）”部分。建筑只設(shè)1 層樓，不考慮層間傳熱，層高3.3 m。

圖1 農(nóng)村住宅模型

本研究通過(guò)DeST-h 軟件對(duì)農(nóng)宅熱負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，室內(nèi)溫度取14 ℃，室外氣象參數(shù)使用軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到農(nóng)村家用電器較少，內(nèi)部熱源僅考慮照明和人員，每日照明功率密度取7 W/m2，人員在室率與供暖設(shè)備運(yùn)行工況聯(lián)動(dòng)。工況設(shè)置按熱工性能提升措施和供暖設(shè)備運(yùn)行工況區(qū)分：熱工性能提升措施分為普通熱工改造和封廈處理，兩種供暖工況分別為不間斷供暖和“部分時(shí)間部分空間”的間歇供暖，具體工況設(shè)置如表1、2 所示。

表1 熱工性能設(shè)置

表2 供暖設(shè)置

2 結(jié)果及分析

供暖需求主要從以下三方面考量：供暖設(shè)備最大負(fù)荷，臥室供暖季累積負(fù)荷以及供暖設(shè)備部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比。

供暖設(shè)備最大負(fù)荷用于反映設(shè)備容量，臥室供暖季累積負(fù)荷和供暖設(shè)備部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比反映供暖設(shè)備運(yùn)行能耗。部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比即按照供暖設(shè)備最大負(fù)荷的25%，50%，75%，100%分為4個(gè)負(fù)荷段后，各負(fù)荷段的設(shè)備工作時(shí)間（設(shè)備負(fù)載率），可以反映供暖設(shè)備的運(yùn)行能效，50%以下負(fù)荷段屬于設(shè)備低效運(yùn)行段，而50%以上負(fù)荷段屬于設(shè)備較高效運(yùn)行段。

2.1 間歇供暖對(duì)負(fù)荷影響

本節(jié)討論間歇供暖對(duì)負(fù)荷影響的區(qū)別。工況a-1、a-2 臥室最大負(fù)荷如圖2 所示。

圖2 工況a-1、a-2 最大負(fù)荷

受間歇供暖再熱負(fù)荷的影響，原始數(shù)據(jù)未處理前，工況a-2 臥室最大負(fù)荷相比工況a-1 提升近130%，這意味著供暖設(shè)備的容量將是不間斷供暖的2 倍。進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，工況a-2 的最大負(fù)荷通常出現(xiàn)在開機(jī)1 h內(nèi)，即20 點(diǎn)-21 點(diǎn)期間，1 h 后負(fù)荷波動(dòng)趨于緩和，連續(xù)2 h 之間負(fù)荷波動(dòng)幅度在20%以內(nèi)，可以認(rèn)為再熱負(fù)荷的影響已經(jīng)消除。因此，取開機(jī)1 h 后的最大負(fù)荷值作為供暖設(shè)備最大負(fù)荷，即供暖季最大不保證120 h的最大負(fù)荷。按照此方法選擇的最大負(fù)荷值降低28%，較工況a-1 的最大負(fù)荷提升僅65%，后續(xù)研究的最大負(fù)荷皆按照此方法選取。

兩種工況下累積負(fù)荷和部份負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間分布也明顯不同。如圖3、圖4 所示。

圖3 工況a-1、a-2 累積負(fù)荷

圖4 工況a-1、a-2 部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比

分析得知，工況a-2 相比工況a-1 累積負(fù)荷降幅明顯，達(dá)到34%。但以50%最大負(fù)荷值為運(yùn)行能效分界點(diǎn)，兩種工況設(shè)備運(yùn)行時(shí)間占比有明顯區(qū)別，工況a-2 會(huì)使設(shè)備在低效負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間占比提高約15個(gè)百分點(diǎn)：設(shè)備在0～25%，75%～100%兩個(gè)負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間差別不大，工況a-2 會(huì)略微降低兩者的占比2-5個(gè)百分點(diǎn)。受影響最大的是25%-50%和50%～75%兩個(gè)負(fù)荷段，相比工況a-1，工況a-2 會(huì)增加25%～50%負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間占比17 個(gè)百分點(diǎn)，降低50%～75%負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間占比10 個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明間歇供暖會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行能效造成負(fù)面影響，盡管累積負(fù)荷降低，但供暖季節(jié)的節(jié)能情況仍有待探討。

不同供暖工況下農(nóng)宅的負(fù)荷情況存在明顯的區(qū)別，鑒于兩種供暖工況的差異性，有必要研究間歇供暖下封廈處理的實(shí)際效果。

2.2 封廈處理對(duì)負(fù)荷影響

本節(jié)討論b 系列工況負(fù)荷情況，即間歇供暖下封廈處理對(duì)負(fù)荷的影響。附加陽(yáng)光間進(jìn)深在0.6～1.5 m的區(qū)間內(nèi)按0.3 m 的間隔取進(jìn)深值，節(jié)能率即封廈后的特征值相比未封廈下降的百分比，見(jiàn)圖5。

圖5 封廈處理的負(fù)荷節(jié)能率

分析得知，封廈處理具有較明顯的降低負(fù)荷效果，在0.6 m 進(jìn)深下，可以實(shí)現(xiàn)25.8%的最大負(fù)荷節(jié)能率以及36.8%的累積負(fù)荷節(jié)能率，但隨著封廈處理附加陽(yáng)光間進(jìn)深的增加，節(jié)能率呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，0.6-1.5m 進(jìn)深區(qū)間內(nèi)最大負(fù)荷節(jié)能率和累積負(fù)荷節(jié)能率的極差分別為2.6 和4.8 個(gè)百分點(diǎn)，因此，僅作為集熱部件的附加陽(yáng)光間進(jìn)深應(yīng)當(dāng)控制在0.6 m 以內(nèi)。

封廈處理在不同進(jìn)深的部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比近乎一致，因此取進(jìn)深1.2 m 的部分負(fù)荷分布情況和封廈前對(duì)比，見(jiàn)圖6。

圖6 封廈前后部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比

可以發(fā)現(xiàn)，封廈處理會(huì)使設(shè)備在低效負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間占比降低約20 個(gè)百分點(diǎn)：設(shè)備在0～25%負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比無(wú)明顯變化，25%～50%負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比降低20 個(gè)百分點(diǎn)，50%～75%負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比提高18.5 個(gè)百分點(diǎn)，75%～100%負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比提高1.5 個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明，附加陽(yáng)光間作為集熱部件一定程度上減弱了再熱負(fù)荷的負(fù)面影響，使得設(shè)備容量降低的同時(shí)，提高了設(shè)備負(fù)載率，讓設(shè)備在50%以上高效運(yùn)行負(fù)荷段時(shí)間占比顯著提高，對(duì)設(shè)備供暖季節(jié)運(yùn)行能效的提高有積極作用，有助于改善間歇供暖降低能效的負(fù)面特性。

2.3 封廈處理的節(jié)能效果評(píng)估

從上節(jié)分析中可以看到，封廈處理在間歇供暖工況下對(duì)降低設(shè)備容量和季節(jié)能耗都具有積極作用，本節(jié)以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值的圍護(hù)結(jié)構(gòu)普通熱工改造可以實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果作為參照，對(duì)封廈處理的節(jié)能效果進(jìn)行分析評(píng)估。

受農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件限制，部分地區(qū)可能無(wú)法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的節(jié)能改造，因此考察單類圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后的供暖需求變化具有現(xiàn)實(shí)意義，如最為常見(jiàn)的外墻+門窗改造。因此，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)普通熱工改造分為外墻+門窗改造和全改造兩類，作為對(duì)照組與1.2 m進(jìn)深封廈處理進(jìn)行比較。工況c-1、c-2 的最大負(fù)荷、累積負(fù)荷節(jié)能率如圖7 所示。

圖7 熱工性能提升的負(fù)荷節(jié)能率

分析可知，封廈處理可以實(shí)現(xiàn)與外墻+門窗改造相近的節(jié)能率，但相距圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造的節(jié)能效果還存在較大差距：封廈處理最大負(fù)荷節(jié)能率與外墻+門窗改造幾乎一致，累計(jì)負(fù)荷節(jié)能率高出近6 個(gè)百分點(diǎn)，總體上兩個(gè)措施的節(jié)能效果相近。但封廈處理與僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)最低限值的圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造相比也存在明顯的差距，節(jié)能率約低22%，約為全改造節(jié)能率的50%～60%。

上節(jié)提到封廈處理可以顯著改善間歇供暖下供暖設(shè)備負(fù)載率，其與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工改造的對(duì)比如圖8所示。

圖8 熱工性能提升的部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比

分析得知，相比原始圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造會(huì)增加設(shè)備50%以下負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間占比約12 個(gè)百分點(diǎn)，設(shè)備負(fù)載率降低。這表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造后再熱負(fù)荷相比房間熱負(fù)荷的相對(duì)影響有所增強(qiáng)，而附加陽(yáng)光間可以減弱該影響，提高設(shè)備負(fù)載率。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究證明了農(nóng)宅間歇供暖負(fù)荷情況顯著不同于不間斷供暖，因此針對(duì)間歇供暖工況，與常見(jiàn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工改造措施對(duì)比考察了封廈處理的實(shí)際效果，得出以下結(jié)論：

1）間歇供暖會(huì)導(dǎo)致設(shè)備容量的顯著增大，在最大不保證開機(jī)1 h 的情形下，可以有效降低設(shè)備容量，但仍然大于不間斷供暖設(shè)備容量約65%。因此，針對(duì)間歇供暖工況的供暖設(shè)備應(yīng)著重提高開機(jī)超頻運(yùn)行的能力。此外，間歇供暖可以有效降低季節(jié)負(fù)荷，但也會(huì)降低設(shè)備的負(fù)載率，從而降低運(yùn)行能效。

2）陽(yáng)光間0.6～1.5 m 進(jìn)深區(qū)間內(nèi)，隨進(jìn)深的增加，負(fù)荷節(jié)能率線性降低，極差2%～5%，因此陽(yáng)光間無(wú)其他用途時(shí)應(yīng)盡量控制其進(jìn)深不宜過(guò)大。進(jìn)深不會(huì)顯著影響設(shè)備部分負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間，采取封廈可以有效提高設(shè)備負(fù)載率，有助于緩解間歇供暖工況造成的負(fù)載率低下。

3）間歇供暖工況下封廈處理節(jié)能率與外墻+門窗改造效果基本持平，節(jié)能率在30%左右，但其較圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造的節(jié)能率還有差距，只能實(shí)現(xiàn)約二分之一的效果。不過(guò)，實(shí)施圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造后會(huì)進(jìn)一步加劇間歇供暖工況造成的設(shè)備負(fù)載率低下的問(wèn)題，封廈處理可以作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造的補(bǔ)充措施提高設(shè)備負(fù)載率，進(jìn)而提高設(shè)備季節(jié)運(yùn)行能效，在經(jīng)濟(jì)受限無(wú)法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造的情況下，也可以優(yōu)先考慮封廈處理。

綜上所述，在間歇供暖工況下，封廈處理具有和外墻+門窗熱工改造相近的降低房間負(fù)荷效果，同時(shí)可以改善間歇供暖工況以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造導(dǎo)致的設(shè)備負(fù)載率低下的問(wèn)題?？紤]到其施工的簡(jiǎn)易程度，在經(jīng)濟(jì)受限的情況下，可以作為寒冷地區(qū)農(nóng)宅熱工性能提升的優(yōu)先措施推廣。在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，可以把封廈處理作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)全改造的補(bǔ)充措施，進(jìn)一步降低設(shè)備容量和供暖季節(jié)能耗。