我国北方新型城镇清洁供暖及舒适度研究

2022-12-03张尧天潘宏刚张春利

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2022年4期

张尧天，潘宏刚，梁鑫，张春利

（1.沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳 110136；2.沈阳玄科建筑工程有限公司，辽宁沈阳 110000）

随着我国社会经济的不断进步，农宅的覆盖面积逐年增加，同时也提高了对农宅室内环境的要求。此外，农宅面积的增加也带来了冬季供暖的区域逐渐增大，农宅能耗逐年增加的问题［1］。农宅能耗是指为了满足农户的日常生活所消耗的热能和电能等［2］。由于农户的经济水平有限，建造一所农宅会花费农户的大部分资金，由于资金不足，可能会导致建筑材料的品质和施工的质量不达标，就无法达到保温要求，这极易导致农宅的采暖费用和维护费用增加，并且还会产生大量的污染［3］。2010 年，辽宁农村房屋的建筑面积已达到4 068.1 万m2。近年来，辽宁省农村农户的建筑多采用砖混和砖木结构。其中，住房结构为砖混的比例达到了44%，砖木的比例达到了48%，钢筋混凝土的比例仅为8%［4］。

农宅的建筑结构与城市房屋的建筑结构不同。农宅建筑的围护结构比较简单，导致部分建筑的节能方法不足，而且农宅没有大规模使用空调等取暖设备，只能依靠升级改造来保证农宅围护结构的保温性能［5］。因此，导致了传统农宅的热能消耗过大，不能达到节能环保与农宅内环境的要求［6］。所以，有效降低现代农宅的建筑能耗具有非常大的应用意义。

随着全球气候的变化，在夏季的商业楼、个人用户都偏爱使用制冷设备，此时的用电负荷增高。国内的部分地区在秋冬季节减少了此方面的负荷需求，导致用电量大范围骤减，也造成了部分发电机组出现了夏季运行、冬季备用的现象，降低了发电机组的性价比。电采暖计划的推广和实施，恰巧弥补了夏季制冷所造成的季节性负荷差，有效地减小了冬夏产生的负荷差值，充分满足了电力系统的经济运行特点［7］。韩国主要采用单户单独供暖方式和多户集中供暖方式，地炕式供暖是大多数住户的选择。大部分家庭住宅采用住宅单户单独发电供暖，以使用柴油电机为主；少量家庭住宅的采暖方式主要利用太阳能和风力锅炉［8］。德国大多数家庭住宅的供暖方式通过燃烧家用天然气或使用燃油，少量家庭住宅的供暖方式则依靠远距离能源供热、用电或者燃烧煤等［9］。

我国的能源种类繁多，如电能、太阳能、天然气、生物质能和地热能等［10］，但并不能全部适用于北方农村地区的取暖方式：地热能取暖方式需要有稳定的地热资源，且打井和铺设管网的投资巨大，只适合城镇或农村集中连片式供暖；太阳能取暖方式需要配套电加热或其他取暖设施，夜晚和阴雨天时太阳能不足，比较适合办公楼、学校等只在白天有采暖需求的建筑；生物质直燃供暖方式存在烟气污染物排放量偏高的问题，需要配套高效除尘设施，比较适合以热电联产或锅炉房的方式向县城、工商业、公共服务设施或居民小区供暖；分散电采暖技术是解决城区老旧楼供暖的有效手段，在峰谷电价等政策的鼓励下，扩大分散电采暖技术的应用区域，可减少集中供热燃煤的投入。

1 农宅室内热负荷计算

1.1 外墙和屋面传热形成的热负荷

墙面和屋顶同时接收光照时，与外墙相比，屋顶接收的阳光会更充足，导致屋顶受到的辐射热量也会更多。所以，屋顶的综合温度更高。此处的热负荷可由式（1）计算：

式中，α为门窗修正系数；F为围护结构的散热面积；tn为室内计算温度；tτ为作用时刻的室外空气综合温度。

1.2 门窗的热负荷

门窗的热负荷主要包含两个部分：一部分是门窗透光结构的传热量，另一部分是太阳辐射热。

门窗的传热温差为式（1）与室内墙体或建筑屋顶温度之比。门和窗的热惰性比较小，传热系数比较大，因而室内热量传递较快。对于普通门窗的玻璃来说，可见光和3 μm 以下近似的红外线辐射可以直接透过玻璃窗进入室内，但是波长较长的辐射能却不能有效地被玻璃阻隔，也就是当紫外线直接照射到门窗玻璃上时，玻璃内部会受到一种占紫外线辐射总量比例很小的长波紫外线辐射。因此，在计算门窗之间温差产生的热负荷时，室外窗的温度可以直接选择大气温度，可由式（2）进行计算：

式中，tτ为计算时刻的室外空气温度；α为窗框修正系数。

太阳辐射热量可按照式（3）计算：

式中，SSGD为标准透光材料太阳直射辐射得热量；ID为入射角为i的太阳辐射强度；gD为标准太阳直射辐射得热率；Id为照射到玻璃上的太阳散射辐射强度；gd为标准太阳散射辐射得热率；xs为阳光实际照射面积比；SC为全遮阳系数；xf为窗户有效面积系数，双层木窗取0.6。

因此，门窗的透光材料的热负荷为

1.3 地面传热形成的热负荷

地面的室外负荷温度计算不将室外热惰性效应纳入，室外负荷温度取决于空气温度，地面传热形成的热负荷为

冷风机的渗透消耗率对热量的影响大小不仅与门窗的整体结构和窗口朝向位置有关，也与室内空气的旋转方向、流动速度、室内外空气温差及建筑本身的进风通道的气流状况等有关。北方民用建筑集中供暖所采用的调节换气空调次数法可由下式进行计算：

式中，Vn为房间内部体积；nk为房间的换气次数，如表1 所示；cp为空气的定压比热；ρ为不同室外温度下空气的密度；tn为室内计算温度；tr为计算时刻室外温度。

表1 房间换气次数次/h

与传统热水器负荷正值计算的方法相同，冷风侵入时所消耗的总热量是冷风外门基础耗热量与外门附加率的乘积：

式中，N为外门附加率，如表2 所示；Q1,j,m为外门基本耗热量。

表2 外门附加率

1.4 煤耗计算

以供暖面积为60 m2的房间为例，门窗封闭良好，室内采暖温度为18 ℃，建筑体形系数取0.4，围护结构的平均传热系数取0.5，可知单位采暖面积的理论耗热量为20 W/m2。综合考虑门窗部分的耗热量，实际建筑的单位面积耗热量应为35 W/m2，则该项目的最大热负荷为

式中，F为所需供热面积；q为供热热指标。

该项目全年耗热量为

式中，Qah为全年热耗量；N为采暖期天数，N=150；Qh为采暖设计热负荷；ti、ta和to.h分别为室内温度、室外平均温度和室外计算温度，ti=18，ta=-5，to.h=-18。

该项目全年耗热量折合成标准煤为0.6 t。

2 热舒适性分析

热舒适性是衡量人体对热感觉的满意程度。影响人体热舒适性的因素有很多，如空气的粘性和湿度、风速。国内外很多专家都研究过热舒适性的评价方式，但是最为典型的人体热舒适性评价体系是Fanger教授提出的PMV-PPD 指标［11］。PMV 指数是表征人体热反应的评价指标，PMV指数表明群体对于7个等级热感觉投票的平均值，如表3所示。

表3 PMV热感觉标尺

PMV 值代表同一环境中大多数人对冷或热的平均感觉，并不能代表所有人的感觉。Fanger教授后来又提出PPD 指标，该指标表示人群对热环境不满意的百分比。当PMV 值在±0.5 之间，PPD 值小于10%时，表示该环境的热舒适性良好。

PPD值的计算公式如下：

本文选用PMV-PPD 来对比两种供暖方式的热舒适性。

3 试验案例

3.1 案例介绍

东北某地农村的住宅进行“煤改电”改造后，以蓄热和地热膜联合供暖方式为研究对象，对住宅各项数据进行计算从而得到年供暖成本。采暖房间分为1#房和2#房，1#房采用碳纤维地热膜供暖，功率为230 W/根，每根长度为12.5 m，屋内布置6 根线进行试验；2#房采用蓄热器供暖，蓄热器的功率为3 200 W，尺寸为1 020 mm×670 mm×190 mm，可供热面积约为33 m2。

1#房的相对湿度为41%，2#房的相对湿度为39%，计算PMV 值和PPD 值。农民白天外出劳作，其余时间在家休息，休息时人体代谢率相对较小，且农村的冬季比城镇温度低一些，所以选择身穿较厚棉衣且静止的成年男子为研究对象。

两个房间的PMV、PPD值结果如表4所示。

表4 两个房间的PMV、PPD值

3.2 数据分析

为了保证试验数据的可靠性，考虑到供暖设备和测量仪器稳定运行等因素，试验在系统连续正常运行15 d 后开始，测试时间为2021 年1 月15 日0:00～2021 年1 月23 日0:00。试验期间的室外最低气温为-16 ℃，最高温度为0 ℃，平均气温为-10.6 ℃，2 个房间的室内平均温度分别为20.284 64 ℃和23.588 27 ℃。

选取7 d 的温度数据并制作曲线，如图1 所示，室外温度曲线如图2所示。温度曲线1为地热膜供暖方式，温度曲线2 为蓄热器供暖方式。蓄热器供暖采用谷电蓄热供暖系统，蓄热时段为22：00 到次日6：00，8 h 可蓄足全天供暖的热量。以1 月15 日00：00 到1 月23 日00：00 为例，累计热负荷为25.6 kW·h。低谷时段的电价为0.4 元/度，则这期间的电费为71.68 元。2#房的面积约为20 m2，则试验周采暖期的运行费用约为3.5元/m2。

图1 室内温度曲线

图2 一月份室外温度曲线

采用碳晶电热膜布置方式时，每组线的功率为230 W，房间内布置6 组线，若满负荷运行，则每天的用电价为108.964 8 元。1#房的面积约为20 m2，则试验周采暖期的运行费用约为5.45元/m2。

由上述煤耗计算可知，若核定采暖天数为150 d，供暖面积为60 m2，煤耗为0.6 t，则供暖采用的无烟煤价格为1 771.4 元/t，折算后为16.5 元，即试验周采暖期的运行费用约为16.5元/m2。

根据上述计算结果可以发现：1#房和2#房的实际温度均符合房屋供暖要求，且两种供热方式均比传统燃煤供暖的价格低。由于蓄热供暖方式采用的是谷电，所以在价格方面比电热膜供暖方式更具有优势。但蓄热供暖设备的前期投入资金较大，所以二者的成本在总体上区别不大，但二者均比燃煤供暖价格低，且达到了减排的作用。由表4 可知，改造后的房间热舒适性适中，至少有92%的用户对该环境感觉满意，说明该改造方式可行。