北方典型农村住宅太阳能辅助采暖优化设计

刘庆玉，关 琦，张 敏，刘晓飞，李占涛，王永超，郭海荣

（1.沈阳农业大学 工程学院，辽宁 沈阳 110161； 2.辽宁省凌源市农村能源办公室，辽宁 凌源 122500；3.辽宁省建平县农村能源办公室，辽宁 建平 122400）

0 引言

北方地区建筑冬季室内温度低、 温度波动幅度大[1]、采暖能耗高[2]，[3]，环境污染问题严重。 为节约建筑能耗，改善居住环境，国内外学者在建筑节能优化及太阳能利用方面进行了大量的研究。

通过能耗模拟软件对建筑能耗进行模拟是建筑节能优化的常用手段[4]，[5]。 祁清华[6]利用 Energy Plus 能耗模拟软件，对农村住宅室内热环境参数进行数值模拟和分析的结果表明，冬季外窗设置XPS 保温板可降低夜间的失热量，增大建筑节能潜力。 胡粉娥[7]对小型太阳能低温热水地板辐射采暖系统进行了实例计算，结果表明，在采暖代表日，当集热器与采暖房间的面积比约为2∶5 时，民居室内采暖温度可达20 ℃。 韩兴超[8]在传统太阳能光热系统中加入相变储能模块，利用相变温度为58 ℃的相变材料可持续为用户提供45 ℃以上的热水。

综上所述，已有研究多为利用建筑能耗模拟软件对建筑设计末端的建筑能耗进行模拟分析与评价，缺乏在建筑设计初期对建筑形态进行优化和设计。 本文以辽宁地区典型农村住宅为研究对象，通过正交试验对农村住宅形态结构及保温措施进行节能设计。 基于建筑能耗模拟软件DeST计算出的建筑热负荷，比较各节能措施对建筑能耗的影响，得出节能农村住宅的最优方案。 最后，针对太阳能供暖系统普遍存在的供能不稳定、成本高、室内温度低的问题，提出了太阳能与生物质能联合采暖的建筑供热方案，以期为北方地区农村住宅的节能优化设计提供技术支持。

1 农村住宅结构模拟优化

1.1 建筑结构节能设计

1.1.1 模型建立与参数设置

本文选取辽宁省宽甸县一典型单层独栋农村住宅（以下简称农宅）建立基础模型，原农宅层高3.1 m，平面布置如图1 所示[9]。 外墙采用厚度为370 mm 的红黏土砖墙，外窗材料采用单层玻璃木质平开窗。 建立模型时保留农宅原有围护结构条件及室内空间布局。

图1 典型农宅平面布置图Fig.1 Plane Layout of Typical Farmhouse

当地日平均温度为7.22 ℃，采暖季平均温度为-8.31 ℃，年平均太阳能辐射总量为4 524.8 MJ/m2，年日照时数为 2 326.5 h。 在 DeST-h 软件中选用宽甸地区的典型气象资料作为模拟气候条件[10]，模拟时间选取当地采暖期：11 月 1 日-次年3 月31 日。 为提高居民生活舒适度，节约能耗，将农宅按使用功能进行室内热环境参数设置[11]：主卧、次卧及起居室温度均设为18 ℃，厨房设为14℃；人员热扰设定为3 人，换气次数为0.5 h-1；其他室内环境参数均按农村居民生活习惯设定[12]。

1.1.2 正交试验设计

本文以屋顶形式（A）、建筑长度（B）、建筑宽度（C）、建筑层高（D）、东向窗墙比（E）、西向窗墙比（F）、南向窗墙比（G）、北向窗墙比（H）为试验因素，以原农宅模型尺寸为基准确定设计因素的水平。屋顶形式因素考察2 个水平，分别为平屋顶和坡屋顶，其他试验因素考察3 个水平，见表1。

表1 因素水平统计Table 1 The statistics of factor level

采用 L18（2×37）混合正交实验表设计正交试验，分别分析农宅在普通6 mm 单层玻璃外窗（a外窗）、普通中空双层玻璃外窗（中空9 mm）（b 外窗）、镀 Low-e 膜中空玻璃外窗（高透型）（c 外窗）3 种工况参数条件下，各试验因素对建筑单位面积累计热负荷的影响，结果如表2 所示。

表2 试验方案与试验结果Table 2 Test scheme and test results

1.1.3 正交试验结果分析

由表2 可知，采用b，c 外窗的农宅单位面积累计热负荷明显低于a 外窗农宅，使用热工性能较好的双层外窗可以降低约35%的能耗。 在选用保温性能较好的外窗时，西向与南向窗墙比越大，单位面积累计热负荷越小。 采用a 外窗与c 外窗的热负荷相近。 Low-E 玻璃传热系数低，可以防止室内热量散失，降低采暖能耗，但其太阳辐射透过率低于普通双层玻璃，导致接受太阳能辐射量低于双层玻璃。

极差R 值越大，试验因素对试验指标的影响越大，分析结果见表3（表中仅列出单层玻璃外窗相关参数，其他两种外窗计算方法同上）。 当农宅采用a 外窗时，对农宅热负荷的影响因素依次为D>B>E>C>H>A>F>G。 采用 b 外窗与 c 外窗对农宅热负荷的影响类似，依次为D>A>B>C>H>G>E>F。 由此可见，无论采用何种热工参数的外窗，农宅几何形态参数对建筑热负荷影响都相对较大；外窗保温性能越好，南向窗墙比对建筑热负荷的影响越大，当外窗保温性能较差时，建筑白天接受太阳热辐射的得热量与夜晚损失量相抵，导致全年热负荷上升。

表3 试验结果分析Table 3 Analysis of test results

设计因素的最优组合与所选评价指标建筑热负荷有关，因热负荷越小越有利于节能，故选取指标小的水平组合作为最优方案。结果表明：当农宅采用a 外窗时，最优方案为建筑长12 m，宽10 m，高2.6 m，东向窗墙比0，西向窗墙比0，南向窗墙比0.2，北向窗墙比0，屋顶形式为平屋顶；当农宅采用保温性能较好的b 外窗与c 外窗时，最优方案为建筑长12 m，宽10 m，高2.6 m，东向窗墙比0，西向窗墙比0.4，南向窗墙比0.6，北向窗墙比0，屋顶形式为平屋顶。

综合比较3 种方案，农宅采用b 外窗的最优方案比其他两种方案更为经济节能。 为保证建筑的自然采光与通风条件良好及居民生活习惯，将最优方案北向窗墙比调整为0.2。

1.2 保温材料选择及参数优化

对建筑围护结构进行保温以降低建筑能耗，提升室内温度。 常见的保温材料有模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS 板）、挤塑聚苯乙烯保温板（XPS板）、硬泡聚氨酯板（PUR 板）等[13]；地面保温材料还有具有保温特性的页岩陶粒、炉渣等松散材料。

以原农宅为基础模型，其他参数不变，分别改变建筑模型外墙和地面的保温层材料及厚度，建筑单位面积热负荷随参数变化情况如图2 所示。在所选厚度范围内，单位面积热负荷随保温层厚度增加而降低。炉渣和陶粒价格便宜，原材料易获得，但保温性能差且炉渣吸水性大，不利于防水。因此，不建议用炉渣作地面保温材料。铺设聚氨酯泡沫塑料保温板的外墙及地面，单位面积热负荷均低于其他保温材料。 当 EPS 板、XPS 板、PUR 板厚度大于50 mm 后，单位面积热负荷降幅减弱。

图2 围护结构保温材料对农宅单位面积热负荷影响Fig.2 The influence of exterior wall insulation material on the energy consumption of farmhouse per unit area

通过优化原农宅的建筑结构与保温材料参数后，得出优化方案为建筑长12 m，宽10 m，高2.6 m，东向窗墙比 0，西向窗墙比 0.4，南向窗墙比0.6，北向窗墙比0.2，屋顶形式为平屋顶，外窗材料采用b 外窗，外墙及地面保温材料采用50 mm厚的XPS 板。 屋顶保温方式对建筑能耗影响显著，经计算，坡屋顶吊平棚保温比平屋顶单位面积节能约2%。 因此，屋顶保温形式采用坡屋顶吊平棚保温。 对完善后的节能农宅最优方案进行能耗模拟，农宅最优方案单位面积累计热负荷为48.50 kW·h/m2，比原农宅降低 38.4%。

2 太阳能热水辅助采暖设计

因辽宁位于严寒地区，仅靠被动太阳能采暖不能满足采暖需求，本文在优化原农宅建筑结构及保温材料的基础上，设计了太阳能热水采暖系统及辅助热源供热。图3 为供暖系统示意图，太阳能集热器阵列安装于建筑物坡屋顶，集热器采用串-并联连接，储热水箱、循环水泵安装于设备机房中。室内采用地暖盘管供暖，在地暖盘管上方设置卵石空气间层，通过卵石良好的导热性，将地暖盘管中的热量充分利用，使地面热度均匀，提升热能使用效率[14]。

图3 太阳能主动供暖系统Fig.3 Solar active heating system

2.1 太阳能集热器

根据冬季采暖热负荷，计算太阳能集热器的面积：

式中：Ac为直接式系统集热器面积，m2；Qh为建筑物耗热量，W；JT为当地集热器采光面积上的平均日太阳辐照量，J/（m2·d）；f 为太阳能保证率，%；ηcd为基于总面积的集热器平均效率，本文取37%；ηL为管路及储热装置的热损失率，%。

冬季采暖热负荷为6.131 kW，大于夏季生活用水热负荷0.194 kW，将冬季采暖热负荷代入式（1），经计算，当太阳能提供全部采暖热负荷时，集热器面积为 30.82 m2。 根据 GB 5095-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》规定，短期蓄热太阳能供热供暖系统每平方米太阳能集热器对应储热水箱容积为50～150 L，本文取50 L，则若由太阳能提供农宅采暖所需的全部能耗，储热水箱容积为1.54 m3。 根据集热器面积与太阳能集热系统造价曲线[15]，太阳能集热系统费用为3.7 万元。

2.2 辅助采暖方式选择

因太阳能供暖在连续阴雨天及夜间不能满足供暖热负荷要求，为了保证采暖系统供应质量，应在采暖系统添加辅助热源。

2.2.1 常规采暖方式对比

农宅常规采暖方式的技术参数对比如表4 所示。 由表可知，燃气采暖与电采暖运行成本较高；燃煤锅炉的运行成本与生物质锅炉相近。 由于生物质储量丰富，故选用生物质锅炉作为辅助采暖方式。

表4 常规采暖方式技术参数对比Table 4 Technical parameters comparison of conventional heating ways

2.2.2 太阳能-生物质能联合供暖系统年节能量分析

根据太阳能集热器供暖提供的热量占所需供暖总量的百分比，将太阳能-生物质能联合供暖系统分为4 种采暖方案，不同采暖方案投资金额 随采暖系统运行时间的变化情况如表5 所示。

表5 不同采暖方案投资金额随采暖系统运行时间变化情况Table 5 The variation of investment amount of different heating schemes with operation time of heating system 万元

由表5 可知，当太阳能供暖系统的供热量和生物质采暖炉的供热量分别为建筑采暖总需热量的25%和75%时，初投资费用最小，投资金额为1.33 万元，且在采暖方案投入使用20 a 内，该方案采暖系统运行费用最低，经济性最佳。

供暖系统的年节能量为

式中：ΔQ 为系统节能量，MJ；Jt为当地集热器采光表面年太阳辐照量，MJ/m2；ηc为管路和水箱的热损失率，本文取25%。

此方案太阳能集热器面积为7.75 m2，储热水箱容积为0.4 m3，该水箱便于室内储存，解决储热水箱冬季保温问题。 经计算，该太阳能-生物质联合供暖方案每年可节约热量为11 768.85 MJ，与采用普通燃煤锅炉的农宅相比，CO2年排放量减少了 1.3 t。

3 结论

针对北方地区农宅冬季采暖能耗大、 室内温度低的问题，本文对建筑结构进行优化，降低农宅热负荷，并结合太阳能-生物质能联用辅助采暖系统为建筑供热，得出以下结论。

①当农宅采用单层玻璃外窗时，对农宅热负荷的影响因素依次为房屋层高>建筑长度>东向窗墙比>建筑宽度>北向窗墙比>屋顶形态>西向窗墙比>南向窗墙比； 采用普通双层玻璃外窗与镀Low-e 膜中空玻璃外窗对农宅热负荷的影响类似，依次为房屋层高>屋顶形态>建筑长度>建筑宽度>北向窗墙比>南向窗墙比>东向窗墙比>西向窗墙比。

②农宅的建筑结构和保温材料参数最优方案为建筑长12 m，宽10 m，高2.6 m，东向窗墙比0，西向窗墙比0.4，南向窗墙比0.6，北向窗墙比0.2，屋顶形式为坡屋顶吊平棚保温，采用普通双层玻璃外窗，外墙及地面保温材料采用50 mm 厚的XPS 板。 最优方案单位面积累计热负荷为48.50（kW·h）/m2，比原农宅降低 38.4%。

③利用太阳能-生物质能联合供热系统为农宅供暖，当太阳能供暖系统的供热量和生物质采暖炉的供热量分别为建筑采暖总需热量的25%和75%时，初投资金额最小，运行费用最低，年可节约热量11 768.85 MJ。