内蒙古西部超低能耗草原民居多能耦合供暖效能研究

金国辉，任佩瑶

（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

内蒙古西部地区纬度高，距离海洋较远，深居内陆，降水量少，沙化严重，生态环境亟需保护。同时，冬季漫长而严寒，受经济条件以及自然条件的制约，当地民居供暖方式落后，导致在冬季不仅室内温度低而且热舒适性差，在室内热环境方面不能满足居民需求。内蒙古西部地区有着丰富的太阳能、风能等可再生能源，因此，如何利用丰富的可再生能源与传统民居供暖相结合，提高居民对室内热环境的满意度，成为一项重要的研究课题。

目前，许多学者对于多能互补在供暖系统的领域做了一系列研究。刘庆玉等[1]设计了太阳能辅助采暖系统，结合太阳能-生物质能联用辅助采暖系统为建筑供热。张甫仁等[2]建立一种农村沼气和太阳能联合供暖系统，与农村传统燃煤供暖系统进行对比试验，表明农村沼气和太阳能合供暖系统供暖能力强，运行稳定。王博渊等[3]提出了一种供暖的设备，并利用Trnsys软件对设备进行模拟。邹晓锐等[4]将太阳能和地源热泵生活热水系统进行了复合优化，并通过动态模拟软件对复合系统进行考察以及对比分析，得出最佳方案及优化系统。郭宏伟等[5]将空气源热泵传统供暖与联合太阳能供暖2种模式进行研究。陈明东和史宇亮[6]提出基于附加阳光间与节能火墙复合供暖下的热环境情况。

由此可知，学者对于室内供暖系统的研究以太阳能和生物质能结合为主，对于太阳能与风能的研究相对匮乏。因此，本文提出一种附加阳光间、风能供热系统与太阳能供热系统的联合供热系统，为内蒙古西部民居的室内热环境和能源结构优化提供一定的参考。

1 研究概况

选取内蒙古西部额济纳旗民居为研究对象，该区域日照充沛，太阳能充裕，风沙较多，风能储备充足。研究范围为额济纳旗农牧民，随着经济条件的改善，现在草原民居多为砖混结构，坐北朝南，建筑面积在65～110 m2，家庭人员一般为3～6人。

研究方式为线上问卷调查，对于内蒙古西部草原民居现有供暖模式的室内温度区间、冬季供暖模式用能状况以及居民满意度3个方面进行调查，共发放问卷200份，收回问卷190份。

1.1 现有供暖模式及室内温度区间

内蒙古西部地区的居民供暖方式有火炕、土暖气、火炉、电暖气以及空调，并以火炕及土暖气供暖为主，其次火炉与电暖气使用的户数也占有一定比例，极少数居民采用空调取暖。调查结果如表1所示。

表1 现有供暖模式及室内温度区间

1.2 现有供暖模式用能状况

内蒙古草原民居冬季采暖大多以火炕+土暖气为主，供暖用能以煤炭、生物质能（薪柴和秸秆）以及电能为主，调研结果如表2所示。

表2 现有供暖模式用能状况

从表2可以看出，煤炭在供暖用能方面所占比例最高，秸秆和薪柴次之，电能利用比例最小，由此可知，内蒙古西部草原民居冬季使用非清洁能源较多，环境污染严重。

1.3 居民满意度

问卷调查采用ASHRAE7级热舒适标度，标度范围在-3（冷）到+3（热）之间，表示居民的体感温度由冷变为热，居民满意度由不满意到满意。结果如表3所示。

表3 居民满意度调查

由表3可知，单一的采暖方式以及非清洁能源的利用，造成冬季室内热环境差，居民满意度低，无法满足居民对于室内热环境的基本要求。从当前现状出发，提出一种基于附加阳光间、风能供热系统以及太阳能炕采暖系统的联合供暖系统，并利用Design Builder软件进行建模验证。

2 Design-Builder软件模拟

2.1 联合供暖系统的构建

本文研究的联合供暖系统包括被动式附加阳光间、风能供热系统以及太阳能+火炕复合采暖系统。

2.1.1 被动式附加阳光间

被动式附加阳光间是利用房屋南向的窗户，在房屋外部采用玻璃或者塑料布围成的一定的日光间。白天附加阳光间可以吸收太阳辐射的热量，提高室内温度，到了夜间，设置的窗帘可以很好地减少热量的散失，使得房间处于相当舒适的环境。阳光间进深为1.4 m[7]。如图1所示。

图1 被动式附加阳光间系统模型

2.1.2 风能供热系统

内蒙古西部地区风能资源丰富，在对风能采集和利用时，可以将风能转换为电能进行供暖。在风能供热系统中，供热系统利用风能转换为电能进行发电，之后储存在蓄电池中，最后向电暖气提供电能。采用家用发电机发电，功率在1500～5000 W，蓄电池为12V，其他配件若干。如图2所示。

图2 风能供热子系统示意

2.1.3 太阳能+火炕复合采暖系统

由于内蒙古西部民居在采暖期大多使用火炕进行采暖，造成能源消耗以及室内环境不能满足居民的需求，在这种现状下，本文提出了一种太阳能+火炕复合采暖系统，该系统将太阳能采暖系统与传统火炕进行耦合给室内加热，主要由集热器、水箱、管路及炕体构成[8]，如图3、图4所示。集热器选用U型管集热器，末端供热系统为太阳能炕，集热系统采用直接式，辅助热源在全日自动开启。采用公称外径为20 mm为太阳能炕内的盘管，采暖系统选取真空管型太阳能集热器，太阳能集热器的单位面积流量g取0.060 m3/（h·m2），蓄热水箱容量选取50 L。

图3 太阳能+火炕复合采暖系统示意

图4 蓄热水箱同太阳能炕结合

太阳能+火炕复合采暖系统利用太阳辐射的热量加热水箱内的水，再经过水泵通过太阳能炕中的水管加热炕，最后利用太阳能炕的作用，在对流和辐射的作用下对整个室内进行传播热量。

在太阳能与火炕复合采暖的模式下，减轻了单一采用火炕供暖对于室内环境的影响，对于能源的消耗也有所降低。复合采暖系统充分利用了内蒙古西部太阳能丰富的有利自然条件，在节约能源以及保护当地环境方面都起到了积极的作用，推动乡村生态环境保护及可持续发展。

2.2 Design-Builder建模

使用Design Builder软件对建立的联合供暖系统模型进行能耗模拟。

2.2.1 联合供暖系统围护结构参数设置

对于内蒙古西部超低能耗草原民居进行围护结构的设置，围护结构及传热系数如表4所示。

表4 围护结构及传热系数

2.2.2 房屋内部热扰值设置

依据JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》，将室内温度设置为18℃，换气次数为0.5次/h。室内人员为3人，2位成年人和1位青少年。成人平均热扰值设置为0.93，青少年热扰值为0.75。

2.2.3 采暖设置

选取该地区最冷月1月以及2月中旬共45 d作为民居供暖期进行模拟，采暖房间为卧室及客厅，其余房间不考虑采暖。

2.3 室内热舒适度分析

经过调研，内蒙古西部民居与实行集中采暖的城镇居民不同，他们根据自身需要进行取暖。本文选取该地区最冷月1月以及2月中旬共45 d作为民居供暖期进行模拟，在此期间，室内全部供暖系统开启，更好地体现供暖系统的效果。模拟过程将45 d以3 d作为一个时间段，以3 d的平均数作为范格尔预测平均投票值（PMV）进行模拟，对于传统火炕+土暖气供暖的联合供暖系统模拟结果如图5所示。

图5 2种供暖方式下最冷月室内舒适度（PMV值）

由模拟结果可知，联合供暖模式下，3d平均室内舒适度PMV值主卧提高了2.2，由（凉）变为（中性），次卧PMV值提高了2.1，由（凉）变为（中性），客厅PMV值提高了1.2，由（稍凉）变为（中性）。根据GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》，室内标准值为-1≤PMV≤+1，由此可知，在联合供暖模式下，室内热舒适性满足居民需要，居民满意度良好。

2.4 能源消耗分析

在传统火炕+土暖气的供暖模式下，提出被动式附加阳光间、风能供热系统以及太阳能炕采暖系统。电散热器功率设置为60 W/m2，太阳能+火炕复合系统功率设置为20 W/m2，将传统供暖模式与联合供暖模式相关参数输入Design Builder模型中，得出在采暖期内传统供暖模式下，草原民居总能耗为17 738.18 kW·h。折算成标准煤为2.18 t，联合供暖模式下，草原民居总能耗为7065.68 kW·h，折算成标准煤为0.87 t。相比传统供暖模式，联合供暖系统节约能耗10 672.5 kW·h，折算成标准煤为1.31 t，减少二氧化碳排放量4.1 t，减少二氧化硫排放量0.3 t、减少氮氧化物排放量0.15 t，由此可见，联合供暖系统优化了能源结构。

2.5 价值工程分析

2.5.1 增量成本支出分析

全寿命周期的节能增量成本是指采用新的节能技术后相比较于传统技术增加的成本，本文提出的联合供暖系统增加了被动式附加阳光间、风能供热系统以及太阳能+火炕复合采暖系统，附加阳光间增量成本为11 396元，风能供热系统增量成本为10 330元，太阳能+火炕复合采暖系统增量成本为3000元。由此可得出整个联合供暖模式增量成本为24 726元。各子系统细部构造及成本支出见表5。

表5 各子系统细部构造及成本支出

2.5.2 增量效益分析

全寿命周期的增量效益包括直接经济效益、间接环境效益和社会效益，联合供暖系统的增量效益如下：

（1）经济效益

经Design Builder软件模拟计算分析，与草原民居传统供暖模式相比，联合供暖系统节约能耗10 672.5 kW·h，折算成标准煤1.31t，通过市场标准煤的价格750元/t计算[9]，节约的采暖费用982.5元。

（2）环境效益

与传统供暖系统对比，联合供暖系统，使得二氧化碳排放量减少4.1 t/年，二氧化硫排放量减少0.3 t/年，氮氧化物排放量减少0.15 t/年，累计环境效益为1612.5元/年[10]，寿命周期为15年，由此可得出环境效益为24 187.5元。寿命周期与寿命周期成本关系如图6所示。

图6 寿命周期与寿命周期成本关系

（3）社会价值

采暖费用的降低，环境质量的改善，使得草原居民的生活更加舒适，增强了人们的幸福感，对于生态环境的保护以及能源的合理利用有一定的积极作用。

2.5.3 价值工程综合评价

联合供暖系统利用资源最少，实现使用者功能满足最大化，而价值工程是用以最低的寿命周期成本实现功能最大化，由此可知两者的本质是近似于一致的。引用价值工程原理，构建公式为：

式中：F、B——增量成本；

C——增量效益；

V——效费比。

通过增量成本与增量效益计算分析，增量成本为24 726元，增量效益为25 170元，利用价值工程公式得出效费比V=1.42>1，由此可知，在联合供暖模式下系统产生的效益大于支出，联合供暖系统在内蒙古西部草原民居具有可实施性。

3 结论

（1）内蒙古西部民居采暖方式主要为传统的火炕，使用土暖气次之，小部分民居采用火炉，以电暖气还有空调作为采暖方式比例最小，室内温度区间在11～15℃。冬季供暖用能以煤炭、生物质能（薪柴和秸秆）以及电能为主。在对能源造成一定浪费的同时，带来了民居室内热舒适性不能满足居民的需求的影响。

（2）利用Design Builder软件对于联合供暖系统进行模拟计算得出，联合供暖模式下，2个卧室及客厅的PMV值都得到提高，居民对室内舒适度感到满意。与此同时，联合供暖系统节约能耗10 672.5 kW·h，折算成标准煤1.31 t，减少二氧化碳排放量4.1 t，减少二氧化硫排放量0.3 t、减少氮氧化物排放量0.15 t，增量效益突出。

（3）通过增量成本与增量效益的计算与分析，增量成本为24 726元，增量效益为25 170元，效费比V=1.42>1，证明联合供暖系统在改善内蒙古额济纳旗的民居室内热环境可行性较强。