严寒地区农宅附加太阳房采暖能耗及节能分析

2019-08-30

节能技术 2019年3期

(东北石油大学，黑龙江大庆 163000)

0 引言

在我国城镇化背景下和新农村建设中，广大农村人民的生活质量成为了小康社会建设的重要议题[1-2]，随着生活水平的日益富足，农村居民对住宅的热舒适性要求也越来越高。尤其在我国严寒地区，这里冬季尤其漫长且寒冷，严寒气候导致了采暖时间长、采暖能耗大，农村住宅室内温度每提高1℃采暖能耗都会成倍地增加。据统计，当前严寒地区农村住宅采暖能耗占总能耗的60%以上，且与气候条件相近的发达国家相比,这一数据约是发达国家的数倍[3]。长期以来，农村地区特别是严寒地区的广大农村，农村住宅仍使用火炕、火墙和火炉等分散式落后的采暖方式,能量利用率低，热效率只15%左右[4]，采暖能耗大幅增加。燃料以煤炭等不可再生能源为主，冬季采暖时就会产生大量的二氧化碳、二氧化硫及颗粒物，加剧了冬季雾霾的肆虐，对区域建筑节能与环保都是极大的挑战。

我国具有丰富的太阳能资源，根据我国太阳能资源分布情况，严寒地区的太阳辐射量相当于170～200 kg标准煤燃烧所发出的热量[5]，且与煤炭、石油等常规化石燃料相比，太阳能具有普遍、清洁、长久、量大的优点[6]，节能环保潜力十分巨大。将建筑物与太阳能结合起来的被动式太阳房在极大程度上解决了太阳能丰富地区的采暖需求[7]，在农村住宅外附加太阳房是被动的对太阳能的获取与利用，这样就可以以空气作为媒介，通过热空气循环和热传导进入采暖房间，使室内温度升高，热舒适性增加[8]，同时解决了分时、按需供暖导致的清晨温度迅速下降的问题，昼夜温度波动减小。且建筑外附加太阳房使用寿命长，保温效果好，在施工中不增加建造费用，在实际使用过程中不增加维护费用，所以在全国各地，尤其在追求低技术建筑节能的严寒地区农村住宅中，都有普遍的应用。

迄今为止，我国对被动式太阳房的推广和研究从未停止过，很多地区都已经陆续启动了对既有建筑附加太阳房的节能研究。张国艳[9]等通过软件模拟计算内蒙地区某公寓的被动式太阳房改造前后的能耗，结果表明在北方地区附加太阳房节能效果显著，附加太阳房仅需15.93 W/m2的热量就能满足房间的采暖需求；邓元媛[10]等对西藏偏远县城楼房进行围护结构保温改造，保温性能比国家标准高20%后，发现使用直接受益式太阳房具有良好的节能、经济效益，能耗及运行费用可节约50%以上，仅需2.4年就可以回收成本；李金平[11]等结合甘南藏区民居特点，发现太阳能主被动联合采暖系统很好满足了建筑采暖需求，且采暖季节省标煤4.3 t，证实了系统的可行性。陈明东[12]等对附加太阳房的房间及对比房的监测分析，证明在无室内辅助热源时附加太阳房后平均空气温度高3.8℃，最高温差可达7.2℃；王选[13]等以青海省藏区农牧民住宅为对象，模拟研究了室内逐时温度变化情况，文章指出建筑外附加太阳房的效果更好且太阳房含集热蓄热墙式比直接受益式采暖期室内空气最低温度高1.7℃，比附加阳光间式高3℃。

前人对太阳房技术有较为详细的研究，但针对严寒地区农村住宅外附加太阳房的节能效果研究较少，实际上被动式太阳房技术在冬季采暖能耗大、经济相对落后、环境污染严重的严寒地区发展度更为迅速，在严寒地区农村住宅附加太阳房技术的研究及普及都具有十分重要的意义[14]。所以本文针对严寒地区，以严寒地区某处代表性农宅为例，对附加太阳房前后的采暖能耗情况进行对比分析，研究太阳房的节能效果，为严寒地区农村住宅附加太阳房的研究和工程应用推广提供理论支持。

1 方法和参数

为研究严寒地区农村住宅外附加太阳房对室内采暖能耗的影响，本文基于EnergyPlus并使用三维建模工具Sketchup和Openstudio插件进行联合建模。

1.1 建筑参数

如图1所示，该代表性农村住宅建筑位于严寒气候某地区。平面如图2(左)所示，是传统“老三间”式住宅，即中间为入口处的门厅，内有灶台使门厅兼具厨房的功能，门厅两侧为东西两个卧室，卧室北侧有火炕，卧室承载了日常起居会客的主要功能。该建筑为平屋顶、砖混结构，建筑面积95 m2、层高3.2 m、长12.6 m、宽7.6 m，南北向各开启三扇长窗，窗台高度0.95 m且窗高1.45 m，北侧窗相比于南侧窗略小，均为铝合金框中空玻璃窗。

如图2(右)所示紧靠在农村住宅主体的南侧外附加了面阔和层高与其相同，建筑进深为1.5 m的太阳房，太阳房的阳面(南向)为大面积铝合金框中空玻璃窗。农村住宅及太阳房的建筑构造和材料参数如表1所示。

表1建筑构造参数

构造传热系数/W·m-2·℃-1热惰性指标外墙外保温黏土砖墙0.5455.939内墙黏土砖墙0.4211.536屋顶聚氨酯保温屋面0.7131.149地面重砂浆黏土N/A2.853窗中空玻璃窗1.8N/A

如图3所示在软件中建立原农村住宅(左)和附加太阳房的农村住宅(右)的三维模型。

1.2 气象参数

气象参数选用了安达市气象数据，安达市地处黑龙江省西南部松嫩平原，该地区气候特点是：冬季寒冷有雪，春秋季风多有雨；采暖期时间长(10月18日至次年4月5日)，共约6个月；太阳辐射量大，日照丰富。在采暖期内室外干球温度最低可达到-28℃，平均约在-9.1℃，太阳辐射量平均也可达到150 W/m2。根据EnergyPlus软件自带天气数据库整理整个采暖季的室外逐时干球温度和太阳辐射量数据如图4所示。

1.3 室内设计温度

农村住宅冬季的采暖方式主要是门厅灶台和室内火炕，两种方式都需要大量燃烧薪柴及煤炭，采暖方式落后且能源利用效率不高。一般农村住宅室内分为早中晚三个时段按时按需采暖，通常在灶台做饭时间接加热火炕，并非24 h不间断烘暖。由于供暖方式和供暖时段的限制，住宅内供暖温度相对于城市供暖较低，根据《严寒和寒冷地区农村住房节能技术导则》，农村住房主要房间冬季采暖室内设计计算温度为14℃到18℃，为严寒地区农村住宅室内舒适的温度。

由于农民日常起居和生活习惯与城市有较大区别，结合当地居民经济状况、日常习惯及室内热舒适性要求，本文选取的室内采暖设计温度为全天24 h 14℃、16℃、18℃、20℃四组进行研究，即研究模拟满足门厅、东西卧室冬季适宜温度所需要的能耗情况。

2 模型验证

为验证该模型模拟结果的准确性，本文主要研究对象为无主动采暖系统的太阳房，所以根据周文倩等[15]给出的模拟结果进行对比。该建筑为位于济南市的二层别墅，室内环境控制参数为除车库外各房间冬季温度为20℃，夏季为26℃，建筑围护结构参数、室内热扰及作息安排等参见文献[15]。对该建筑全年能耗进行对比分析。

从表2可以看出，本文模拟结果要略高于文献中的模拟结果，偏差在2.3%，在误差允许的范围内，EnergyPlus用于计算室内能耗的模拟结果相近，模型准确可信。因此可以利用EnergyPlus对室内采暖能耗进行模拟分析。

表2总能耗模拟结果

本文模拟结果文献模拟结果偏差/[%]总能耗/kW·h11 098.0810 848.56单位面积能耗/kW·h·m-249.0747.972.3单位采暖面积能耗/kW·h·m-254.5453.31

3 计算结果和分析

本文使用EnergyPlus软件对原农村住宅以及外附加太阳房的农村住宅冬季采暖能耗进行模拟分析。分为在不同室内采暖设计温度(14℃、16℃、18℃、20℃)下的最冷日(1月21日)的逐时能耗、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)的逐月能耗及总能耗，比较分析其节能效果。

3.1 太阳房温度

如图5所示为最冷日(1月21日)太阳房内温度随室外温度和太阳辐射强度的变化情况，室外气象数据同样根据EnergyPlus自带EPW气象文件整理出来，该日室外气候特点为温度低、太阳辐射强但波动大、时间短。当日室外温度在-24.3～-13.9℃之间，16时的室外温度达到峰值，后逐渐降低；室外太阳辐射时间为7时至18时，14时达到太阳辐射峰值512 W/m2，其中太阳辐射量于12时降低为33.3 W/m2，由于室外阴天的原因该时刻室外辐射量极低，但随后升高。

由于太阳房内并无供暖，内部温度大多数时间比室内设定的采暖设计温度略低，且昼夜温度波动大，温度变化范围在1.5～15.5℃。如图5所示，太阳房内温度随着室外温度和太阳辐射量的变化而波动，在12时随着室外太阳辐射量的减少而明显降低，且在14时随太阳辐射值达到峰值而达到温度最高值，在夜晚太阳辐射为0 W/m2时，太阳房内温度随室外温度降低而明显降低。

3.2 采暖能耗

图6为最冷日(1月21日)农村住宅附加太阳房前后逐时采暖能耗，图7为该日总采暖能耗。由图可知最冷日农村住宅附加太阳房后逐时采暖能耗均有大幅度降低，时刻能耗差最大为1.8 kWh，最冷日总能耗差最大为16.2 kWh，节能率最大达到22.57%，节能效果显著。

在不同室内采暖设计温度的情况下节能效果也有所差别，随着采暖设计温度提高，采暖能耗基数变大，附加太阳房前后采暖能耗差值越大；采暖能耗波动程度降低，昼夜温差减小。不同采暖设计温度下逐时采暖能耗均随着室外温度和太阳辐射度的升高逐渐降低，并在14时，室外太阳辐射量最大且太阳房温度最高时达到采暖能耗最小值。室内采暖设计温度为14℃和16℃时，逐时能耗分别平均降低0.16 kWh和0.38 kWh，但此两种室内设计温度下的14时，附加太阳房后的能耗比原无太阳房住宅的能耗略高，这是由于在室内采暖设计温度略低和室外太阳辐射量充足的情况下，太阳房的温度作用略有下降，大面积的玻璃围护结构同样带来大量的热量散失。室内采暖设计温度为18℃和20℃时，逐时能耗分别平均降低0.58 kWh和1.19 kWh，在此两种内设计温度下，相较于前两种设计采暖温度，能耗基数变大，能耗降低量增加，节能效果提升，18℃时日节能率最大达到22.57%。

图8为最冷月(1月)农村住宅附加太阳房前后逐时采暖能耗，图9为该月总采暖能耗。由图可知在最冷日农村住宅附加太阳房后逐时采暖能耗均有大幅度降低，采暖能耗随图4所示的室外温度及太阳辐射量波动，其中日采暖能耗最高可降低20.1 kWh，日节能率随着采暖设计温度的升高呈先升高后降低的趋势，最高达22.71%。

不同采暖设计温度时，节能效果也不同。室内温度14℃时，日最大节能率于1月15日可以达到16.13%，但于1月13日附加太阳房采暖能耗略大于原住宅采暖能耗，这是由于该日室外平均温度为-10.2℃但太阳辐射量为64.9 W/m2的较低值，太阳房使用效果不佳；室内温度16℃时，日最大节能率于1月15日可以达到20.07%；室内温度18℃时，日最大节能率于1月15日可以达到22.71%；室内温度20℃时，日最大节能率于1月18日可以达到19.19%。此三种采暖设计温度下，能耗基数变大但节能效果提升。

图10为采暖期农村住宅附加太阳房前后逐月采暖能耗。由图可知在整个采暖期农村住宅附加太阳房后逐时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，月节能率最高为27.04%。

不同采暖设计温度时，节能效果也不同。室内温度14℃时，月最大节能率于2月达到12.65%；室内温度16℃时，月最大节能率于2月达到20.07%；在此两种室内设计温度下，由于室内所需温度较低，四月和十月不需要供暖，采暖能耗为0 kWh。室内温度18℃时，月最大节能率于3月可以达到27.04%；室内温度20℃时，月最大节能率于2月达到22.57%。在此两种室内设计温度下，四月和十月也需少量采暖能耗，且其余各月能耗基数变大但节能效果提升。

图11为农村住宅附加太阳房前后采暖期的总能耗，由图可知，室内采暖设计温度每升高2℃,采暖能耗呈1.4～2.7倍增长，采暖设计温度为20℃的采暖能耗为14℃的6.7倍。

室内采暖设计温度为14℃时，附加太阳房可以减少总采暖能耗194.35 kWh，节能率为10.73%；室内采暖设计温度为16℃时，附加太阳房可以减少总采暖能耗846.48 kWh，节能率为17.36%；室内采暖设计温度为18℃时，附加太阳房可以减少总采暖能耗1 992.60 kWh，节能率为22.73%；室内采暖设计温度为20℃时，附加太阳房可以减少总采暖能耗2 340.92 kWh，节能率为19.42%。室内采暖设计温度为14℃、16℃、18℃时，附加太阳房均有很好的效果，且18℃时节能率最高，节能效果最佳；当室内采暖温度达到20℃时，采暖能耗急剧增加，节能率降低。