基于多能互补的内蒙古西部超低能耗草原民居供暖系统综合效果评价＊

2020-10-26金国辉李威风崔宝霞梁娜飞陈小娟

科技促进发展 2020年6期

■ 金国辉李威风崔宝霞梁娜飞陈小娟

1.内蒙古科技大学土木工程学院包头 014010

2.西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室西安 710055

0 引言

长期以来，内蒙古西部草原民居供暖方式主要以火炕和燃煤锅炉供暖为主，供热效率低，供暖效果差，环境污染严重。随着内蒙古地区经济的迅猛发展，牧民们要求良好舒适居住条件的强烈愿望与对现有居住状况不满意之间的矛盾越来越突出。因此对居民的供暖系统进行改进，降低采暖能耗，提高居住舒适度，充分利用可再生能源，对当地的可持续发展具有重要意义。

目前有很多学者对多能互补供暖系统的综合评价进行研究。林丽琼[1]运用动静态相结合的方法对太阳能、风能与地源热泵互补利用系统的效益分析模型进行了定量研究，表明互补利用系统的技术经济效益及能源环境效益明显优于燃煤锅炉；郭宏伟等[2]研究了寒冷地区空气源热泵耦合太阳能集热器系统在供暖期的运行能效，提出了空气源热泵供暖季的综合能效评价方法，得出热泵机组在整个供暖季的能效系数；徐嘉等[3]通过编制专门的软件研究了太阳能-空气源热泵多能互补系统的运行能效，结果表明太阳能-空气源热泵多能互补系统的综合效果更好；杨国利[4]对天津市一单层独立房间的多能互补供能系统进行了经济性分析，结果表明多能互补供能系统能对两种能源进行综合利用，系统的节能性和经济性能较好；杨永鲁[5]利用DeST软件对空气源热泵联合太阳能供暖系统进行了研究，证明空气源热泵联合太阳能供暖系统的节能效益、环境效益和经济效益均优于传统供暖方式；曹昕[6]对多热源联用低温热水地板辐射采暖系统的节能控制和经济性进行了分析，结果表明太阳能热水器与热泵热水器串联、交替和并联的使用方式比热泵热水器单独使用的平均制热效率分别提高23.0%、70.5%和81.3%；张恒[7]对香格里拉地区户用太阳能与热泵联合供热系统的环境、社会和经济效益进行了研究，表明对系统各部件优化匹配及性能研究有助于系统的稳定运行，降低初始投资和运行费用。通过对文献的梳理发现，现阶段多能互补供暖系统的评价研究多集中在太阳能与地源热泵互补供暖方面，而对太阳能、风能结合家用火炕及散热器的多能互补供暖系统的研究较少。因此本文针对结合太阳能、风能与传统供暖方式的多能互补供暖系统进行节能性、舒适性和经济性方面的效果评价，为今后该地区民居供热系统的设计提供依据。在中央提出绿色发展理念的影响下，内蒙古西部超低能耗建筑的研究对于我国及节能减排及环境保护工作具有重要的作用，科技部设立了“多目标优化导向的内蒙古西部草原民居被动式超低能耗建筑营造策略研究”课题、内蒙古自治区科技厅设立了“基于多能耦合的内蒙古西部草原民居被动式超低能耗建筑节能策略研究”课题、西部绿色建筑重点实验室设立了“内蒙古西部草原民居被动式超低能耗建筑营造策略研究”课题，本文是以上课题项目的部分成果，在以上课题项目的研究中起到了较为重要的作用。

1 评价指标选取

通过对草原民居供暖系统特点进行分析，将多能互补供暖系统综合效果评价体系分为节能性、舒适性和经济性三个维度。

1.1 节能性

节能性是用来评价供暖系统能源效益的指标。本文选取年采暖能耗降低率和非清洁能源年消耗降低量为节能性指标。

1.1.1 年采暖能耗降低率

年采暖能耗是指建筑物为维持一定室内温度全年所消耗的能量，它综合衡量了建筑物的各项性能。年采暖能耗降低率是指通过计算建筑物在传统供暖系统和多能互补供暖系统的年采暖能耗需求量，分析多能互补供暖系统相对传统供暖系统的年采暖能耗降低程度，从而说明多能互补供暖方式的节能性。

年采暖能耗降低率计算公式为：

式中：η——年采暖能耗降低率

E1——传统供暖方式年采暖能耗需求量

E2——多能互补供暖方式年采暖能耗需求量

ΔE——传统供暖与多能互补供暖年采暖能耗需求量差值

1.1.2 非清洁能源年消耗降低量

传统供暖系统通过非清洁能源的燃烧来获取热量，从而达到对室内进行加热的目的。但非清洁能源的使用会带来大量有害物质的排放，污染环境，危害人们的身心健康。多能互补供暖方式通过将太阳能、风能等清洁能源引入到供暖系统中，为供暖系统提供部分能量来源，减少非清洁能源的使用，降低污染物排放，进而达到保护环境的目的。因此，非清洁能源年消耗降低量也是评价供暖系统性能优劣的一个有效参数。

1.2 舒适性

舒适性是反映供暖系统效果好坏的最直观指标，是各方面影响因子共同作用所达到的一种状态。本文选取室内温度为反映舒适性的参数，用室内温度及其波动幅度来评价舒适性。

1.3 经济性

经济性是评价供暖系统能否被居民接受的一个重要指标。本文采用对比方法，即年均摊成本费用支出与年采暖运行费用降低额的对比来评价多能互补供暖系统的经济可行性。

2 物理模型构建

2.1 草原民居基础房屋模型构建

在供暖系统构建之前，首先进行草原民居基础房屋模型的构建，主要包括建筑空间布置、围护结构、居民生活规律等。

2.1.1 实地调研及模型选择

内蒙古地势狭长，其中西部地区主要包括包头市、鄂尔多斯市、乌海市、巴彦淖尔市、阿拉善盟五个盟市。

通过对阿拉善盟左旗、磴口县、鄂托克旗和乌拉特前旗等地进行实地调研，得到内蒙古西部草原民居的特点如下：

（1）民居房屋主体普遍为单层砖混结构，层高3～3.6m，建筑面积约为60～100m2，3或5开间；

（2）家庭常住人口为2～4 人，以务农及畜牧业为主，文化程度较低；

（3）现有供热系统普遍采用连灶火炕及燃煤锅炉供热，部分居民使用小煤炉取暖，其他供热方式较少。

根据以上调查结果，筛选符合上述特点的被调研家庭，选取鄂托克旗碱柜镇碱柜村一户民居作为基础房屋模型。

2.1.2 房屋结构尺寸

该民居为单层砖混结构，层高3 米，朝南向，建筑面积为83.16 m2。房屋空间平面布置图如图1所示。

2.1.3 外围护结构

基础房屋模型结构简单，外围护结构构造粗糙，保温性能差。基础房屋模型围护结构构造如表1所示。

2.1.4 居民生活规律

该户居民家中共有四人，分别为夫妻两人、户主母亲及户主幼儿，家庭收入来源主要依靠畜牧业。白天青壮年在外进行畜牧业相关活动，老人和幼儿在家，进行简单家务劳动或娱乐休闲；入夜之后主要在室内活动。统计得到的客厅及主次卧人员活动时间表如表2所示。

2.2 草原民居传统供暖系统模型构建

该居民室内现有供暖系统采用的是连灶炕与循环热水供暖方式。现有供暖系统主要采暖部件平面布置图如图2所示。

2.2.1 连灶炕

连灶炕是一种传统的火炕形式，具有炊事兼采暖的功能。火炕设置于主卧靠近后墙一侧，灶台位于一墙之隔的餐厅侧墙处，通过墙内预留的烟道连接，保持了主卧的居住环境和空气的清洁。火炕采用吊炕[8]的设计样式。

图1 草原民居基础房屋模型平面布置图

2.2.2 循环热水系统

循环热水系统由燃煤锅炉、各房间暖气片及相互之间连接的热水管网组成。燃煤锅炉设置于厨房，在客厅、主卧和次卧分别设置一组散热器。通过煤的燃烧加热锅炉中的水，然后经过循环水泵将锅炉中的水经热水管网输送到散热器中，再经过散热器的辐射与对流作用，从而达到加热室内空气的作用。

2.3 草原民居多能互补供暖系统模型构建

内蒙古西部地区拥有丰富的可再生能源[9]。为充分利用内蒙古西部现有可再生能源，在传统草原民居供暖系统的基础上构造一种多能互补供暖系统，包括附加阳光间集热子系统、太阳能热水子系统、风能发电子系统、火炕供暖子系统四个部分。

2.3.1 附加阳光间集热子系统

附加阳光间集热子系统包括南向附加阳光间及外墙外保温两部分。南向附加阳光间三面为透明围护集热部件，一面为房屋原有墙体；在搭建附加阳光间的同时，对外墙进行60 mm 厚聚苯板外保温覆盖，以提高外墙的保温性能。阳光间进深1.4m[10]，附加阳光间集热子系统模型图如图3所示。

表1 草原民居围护结构构造方式表

图2 现有供暖系统主要部件平面布置图

表2 各室内人员活动时间表

图3 附加阳光间集热子系统模型图

2.3.2 太阳能热水子系统

太阳能热水子系统包括太阳能集热器、蓄热水箱、管道、水泵以及分集水器等[11]。利用阳光的热能加热集热器中的水，通过管道输送到蓄热水箱中，再经过分集水器输送至各个房间的散热器中。太阳能热水子系统示意图如图4所示。

2.3.3 风能发电子系统

图4 太阳能热水子系统示意图

图5 全年采暖能耗需求量对比图

风能发电子系统由小型风力发电机、塔架、蓄电池、逆变器、整流器及电锅炉构成。风力发电机将发出的电储存在蓄电池内，在采暖期时加热电锅炉，非采暖期时供给家用电器使用[12]。

2.3.4 火炕供暖子系统

火炕供暖是内蒙古西部地区长期以来使用的供暖方式之一，其具有取材方便、建造方式简单、使用方式贴合生活习惯等特点。因此，在构造多能互补供暖系统时，将传统的火炕供暖方式保留，作为多能互补供暖系统的一部分，与其他系统结合，共同发挥作用。

3 综合效果评价

利用Design Builder及DeST-H软件对内蒙古西部草原民居传统供暖系统模型和多能互补供暖系统模型进行模拟分析。模拟前进行相关参数设置[13]，以保证两种系统在相同的参数下进行模拟。附加阳光间白天开启，保温隔热窗帘闭合时间设置为18:00～次日8:00；风电供暖系统运行时间设为自动，运行功率设置为自动；太阳能热水子系统运行时间为8:00～18:00，运行功率设置为自动；连炕灶每日早、中、晚分别运行1 次，时间设置为08:00～08:40、12:20～13:00、19:00～19:40，每次燃烧时间为40min，炕面温度可升至24℃，可维持21℃以上3 小时[14]，经前期统计计算，连灶炕热功率为554.56 W。

图6 最冷月室内日平均温度对比图

3.1 节能性评价

通过对两种供暖系统模型进行模拟分析，分别统计两种供暖方式下建筑全年采暖能耗需求量，如图5所示。传统供暖系统模型下，建筑全年采暖能耗为16768.59 kW·h；多能互补供暖系统模型中建筑全年采暖能耗为5671.96 kW·h。二者相比，全年采暖能耗降低了11096.63 kW·h，年采暖能耗降低率为66.18%，建筑全年采暖能耗大幅降低。分析原因，可知多能互补供暖系统中，附加阳光间集热子系统起着降低建筑物采暖能耗的作用，增设附加阳光间并覆盖外墙保温，大幅提升了建筑物的自身保温性能和蓄热能力。

在传统供暖系统中，建筑全年采暖能耗全部由非清洁能源提供热量，折合原煤为2.88 吨；在多能互补供暖系统中，风能发电子系统采暖期提供的电量为1373 kW·h，太阳能热水子系统采暖期提供的热量为1166 kW·h。因此由非清洁能源提供的热量为3132.96 kW·h，折合原煤0.55 吨，相较前者减少了2.33 吨，非清洁能源使用量大大降低。

3.2 舒适性评价

选取最冷月时段内两种供暖系统模型条件下的主卧、客厅及次卧的室内温度进行对比分析。两种供暖方式下最冷月室内日平均温度对比图如图6所示。

由图可知，在传统供暖系统模型下，主卧布置火炕，最冷月室内日平均温度最高，为14.0℃，温度波动较小；其次为客厅，最冷月室内日平均温度为12.8℃；次卧供暖设备最少，因此最冷月日平均温度最低，为11.5℃，且波幅最大。建筑物室内日平均温度均值都远低于ASHRAE55-2013[15]中规定的严寒地区冬季热舒适温度标准，热舒适性较差。

在多能互补供暖系统模型下，主卧的最冷月室内日平均温度为20.2℃，且波幅仅为1.5℃，热稳定性较好；客厅和次卧的最冷月室内日平均温度均值分别为19.8℃和19.0℃，波幅分别为0.8℃和1.6℃。多能互补供暖方式相较于传统供暖方式，客厅和主次卧的最冷月室内日平均温度均值明显提升，热稳定性和热舒适性较好。

3.3 经济性评价

3.3.1 增量成本支出分析

相较于传统供暖系统，在多能互补供暖系统中，整体增设了附加阳光间集热子系统及太阳能热水子系统，增设部分风能发电子系统部件。经计算，附加阳光间集热子系统初期增量成本支出为12245.04 元；太阳能热水子系统初期增量成本支出为4400 元；风能发电子系统中，电锅炉与传统燃煤锅炉造价相当，不计增量成本支出，其余部件计算初期增量成本，因此初期增量成本支出为15560元。整个多能互补供暖系统期初增量成本支出为32205.04元。