內蒙古西部草原地區典型民居冬季多能耦合供熱模式

金國輝,王波

內蒙古西部草原地區典型民居冬季多能耦合供熱模式

金國輝1,王波2

1. 內蒙古科技大學土木工程學院, 內蒙古 包頭 014010 2. 烏海市審計局, 內蒙古 烏海 016000

內蒙古西部草原民居冬季以傳統火炕和土暖氣為主要的供熱模式，供熱效果較差，無法滿足熱舒適度要求，本文采用Design Builder軟件，建立典型草原民居模型，對傳統供熱模式和多能耦合供熱模式下，該地區最冷月1月的室內溫度、熱舒適度對比模擬分析。采用多能耦合供熱模式下室內溫度提高24%、最冷月熱舒適性由寒冷改善為冷。在該地區民居設計建造中應充分利用太陽能、風能資源，構建多能耦合供熱模式，提高室內溫度和熱舒適性。

草原民居; 供熱模式

內蒙古西部草原地區年降水量少、氣候干燥、植被覆蓋率低、草場沙化現象嚴重、生態環境脆弱，亟需加強保護。同時該地區冬季寒冷，廣大農村牧區由于經濟水平和農牧民收入制約，住宅供熱方式較為落后，室內溫度低、熱舒適度差，嚴重影響農牧民的生活質量和身體健康。以火炕和土暖氣為主的傳統供熱方式每個供熱季都消耗大量煤炭和柴草灌木，化石能源大量開采和對草場灌木砍伐會嚴重破壞當地生態平衡。西部草原地區地勢平坦，太陽能風能等可再生資源豐富，將可再生能源和傳統化石能源結合，滿足草原民居供熱能耗需求的同時，逐步降低化石能源在西部地區草原民居能源消耗結構中的比例，對實現能源的可持續利用和綠色發展有著重要意義。

目前在多種能源耦合供熱領域的研究取得了一些進展。陳明東等[1]通過對附加陽光間與節能火墻耦合供暖的房屋及相同結構的對比房室內溫度及室外溫度的監測，研究了寒冷季節室內溫度隨室外氣象條件變化情況；張彥龍[2]計算了采暖期溫室的動態負荷，利用太陽能輻射的基礎理論知識計算出動態太陽能集熱量，根據計算結果，分析太陽能—鍋爐聯合運行時兩者供熱量的配比關系；馮革宇等[3]用數值模擬的方法分析當吊炕、火墻、散熱器在房間中布局位置不同時對室內熱環境產生的影響；張明昭[4]對太陽能－空氣源熱泵－鍋爐供熱聯合使用技術進行了研究，提出了三者聯合運行的技術可行性方案。

綜上所述，對多種能源耦合供熱領域的研究主要在東部較發達地區，而適用于內蒙古西部草原地區民居的供熱模式研究十分缺乏，導致冬季該地區民居供熱系統設計不規范、不合理等問題。本研究提出該地區民居太陽能、風能、火炕、散熱器多能耦合供熱模式，將為今后該地區民居供熱系統設計提供一定的參考。

1 調查情況

1.1 調查地域

調查地域位于內蒙古西部的鄂托克旗境內，鄂托克旗南北長209 km，東西寬188 km，總面積20064萬km2，草場總面積198.48萬hm2，年平均氣溫為10.403 ℃，最冷月為一月，平均室外干球溫度-10.72 ℃，屬于熱工分區寒冷ⅡB區，多年平均日照時間數為3138.6 h，年平均接受太陽輻射能155.8 kCal/cm2，平均無霜期為122 d；歷年平均降水量190 mm，平均蒸發量3000 mm；年平均風速2.9 m/s，瞬間最大風速33 m/s[5]。

研究對鄂托克旗蒙西鎮渠畔村、阿山大隊、五里墩和棋盤井鎮烏呼圖嘎查、牧業二組的56戶農牧民進行入戶調查，重點了解西部草原地區民居的建筑結構、供熱模式和居住人員情況。

1.2 建筑結構

被調查地區的早期建筑為土木結構房屋，隨著居民生活水平的改善，當地草原民居主房基本結構為磚混結構一層建筑，建筑面積為60~120 m2，凈高為2.3~2.8 m，3~5開間，原有的土木結構房屋逐漸作為庫房和涼房使用。

1.2.1 墻體和屋頂主房的墻體多用370 mm、240 mm磚墻、400 mm磚包土墻（當地人稱為里生外熟墻）部分民居外墻有水泥砂漿抹面。屋面無統一樣式，主要有平屋面、單坡屋面和雙坡屋面，各類型屋面占比相對均衡，主要結構有硬山擱檁+望板+防水層+掛瓦坡屋面、鋼筋混凝土屋面+防水層+保護層平屋面、平改坡加裝彩鋼頂屋面以及其他類型。

1.2.2 門窗該地區草原民居外窗一般使用單玻木窗、雙玻鋼窗、雙玻塑鋼窗，玻璃為普通白光平板玻璃，外窗高度為1.5~1.8 m，寬度為1.5~2.1 m多數窗戶密封性和保溫性能較差。外門一般采用鐵門、木門、外包鐵皮木門、少量采用鋁合金門、鋼質防盜門。

1.3 供熱模式

內蒙古西部草原地區的供熱模式具有傳統的中國北方特色，該地區隨著北方外來人口的流入，供熱模式也被帶入該地區民居的設計當中，火炕、火墻、煤爐、土暖氣等成為主要供熱模式，不同的家庭依據各自的供熱需求選擇一種或多種供熱模式，并沒有統一的標準。經過對56戶草原民居的入戶調查，各供熱模式的使用情況如表1所示。

表1 供熱模式調查結果表

調查結果顯示，該地區民居冬季供熱模式使用戶數由高到低供熱模式為：連灶火炕、土暖氣、煤爐、火墻、電暖氣、空調。主要原因是連灶火炕和土暖氣既可以滿足炊事需求，也可以滿足供熱需要，使用方便，熱輻射值及供熱面積大。

1.4 居住人員情況

被調查民居一般居住人員數為3~5人，青壯年多數在城鎮打工，平時主要居民為留守老人與留守兒童，文化水平較低，調查方式以詢問和現場觀察為主，老人與兒童屬于身體素質水平較低群體，對室內溫度和熱舒適性需求高，白天時段成人在外放牧、務農，兒童在學校上學，夜晚時段成人和兒童主要在室內活動。居民主要從事畜牧業和農業，年人均收入9000~12000元，與城鎮和東部發達地區農村相比處于較低水平，冬季購買化石能源供熱帶來的經濟壓力較大。

2 模型建立與分析

2.1 典型民居選取

根據調研結果，在56戶草原民居中篩選出鄂托克旗蒙西鎮阿山大隊馬姓民居作為西部草原地區典型民居進行模擬研究。典型民居主房為一層磚混結構，朝向為南，平改坡彩鋼屋頂，坡屋頂留有氣窗，內儲藏雜物、不住人，室內凈高2.8 m，3開間，建筑面積96.12 m2。具體尺寸如圖1所示。

圖1 典型民居平面圖與正立面圖

2.2 Design Builder建模

在西部草原地區典型民居的基礎上，選用能耗分析軟件Design Builder，根據實地測量的該草原民居的結構形式、設計參數尺寸、門窗類型等基本要素，建立典型民居模型并設定模擬參數。

外圍護結構（Construction）設定。其圍護結構的具體設置及傳熱系數如表2所示。

表2 外圍護結構做法及傳熱系數

室內人員活動量（Activity）設定。人員活動量分析的目的是為了模擬人員在室內散發的熱量（熱擾）對建筑能耗的影響。典型民居人員主要的活動空間為客廳和臥室，是供熱模式模擬的主要區域。廚房、儲藏室、坡屋頂內人員活動少，設置為空房間，不考慮供熱情況。根據調查了解，馬姓一家冬季室內活動時間如表3所示。

表3 冬季室內活動時間分布

家用電器（Equipment）設置。家用電器在使用中散發熱量，也會對室內熱環境產生影響，典型民居的家用電器主要有電視機1臺、洗衣機1臺、冰柜1臺、手機若干，消耗電能。電視機每日使用，計算熱擾，洗衣機每周使用1次，熱擾忽略不計，冰柜主要在夏季使用，冬季處于關閉狀態，手機耗電量較低不做考慮。電視機的使用情況如表4所示。

表4 電視機使用情況表

照明（Lighting）設置。典型民居各房間均安裝節能燈，客廳安裝兩盞，其余房間安裝一盞，客廳和臥室的燈光開啟時間長，開啟時段及照明功率見表5所示，其余房間開啟時間很短，忽略不計。

表5 照明設備開啟情況表

供熱設置。典型民居供熱模式的主要組成是連炕灶和土暖氣，連炕灶的火炕設置在主臥，灶設置在一墻之隔的廚房，通過內墻預留的煙道連接，目的是保持主臥的居住環境和空氣的清潔。土暖氣由鍋爐和散熱器組成，以熱水為供熱媒介，鍋爐設置在廚房，主臥、次臥1、2各設置1組8柱鑄鐵散熱器，客廳在南北外窗下各設置1組8柱鑄鐵散熱器。根據現場觀察，連炕灶每日中午、晚上各點燃1次，用于炊事。最冷月每次燃燒時間為1 h，炕面溫度可升至24 ℃，炕面可維持21 ℃以上5 h[6]，每次燃燒玉米秸稈3 kg，玉米秸稈熱值為17746 kJ/kg，連灶炕熱效率為45%[7]，根據式1計算，連灶炕熱功率為554.56 W；土暖氣系統設置，最冷月水暖鍋爐每日消耗煤炭9 kg，全天供熱，標準煤熱值29370 kJ/kg，水暖鍋爐一般熱效率55%，根據公式1計算，鍋爐熱功率1862.66 W。

式中：—熱功率，W；q—燃料熱值，J/kg；m—燃料消耗量，kg；—熱效率；t時間，s。

2.3 熱環境模擬與分析

經實地調查，內蒙古西部草原地區民居采用分戶供熱模式，與城鎮集中供熱模式不同，農牧民依據自身熱感覺開啟關閉供熱系統，并不是嚴格按照當地指導采暖期供熱，為保證準確性，論文選取該地區最冷月1月為典型民居冬季供熱模式模擬時期，該時期供熱需求大，供熱系統全部啟用，最能體現供熱模式的效果。主要對現有供熱模式下民居的室內溫度、范格爾預測平均投票值（Fanger Predicted Mean Vote，以下縮寫為Fanger PMV）進行模擬輸出分析，模擬結果如圖2所示。

圖2 典型民居熱環境模擬結果

模擬結果顯示，典型民居日室內干球溫度范圍為7.99~13.43 ℃，平均溫度為11.13 ℃，僅有5 d的溫度滿足《農村居住建筑節能設計標準》GB/T 50824-2013中農村地區冬季室內較適宜溫度13 ℃~16 ℃[8]的要求；Fanger PMV范圍為-4.77~-3.14，平均值為-3.96，在Fanger PMV指標中評價為寒冷[9]。由此可見，在現有供熱模式下，草原民居的冬季室內溫度偏低，熱舒適度差，不適宜農牧民健康生活。

3 多能耦合供熱模式構建

多能耦合供熱模式由陽光間、風電供熱系統和節能火炕+散熱器系統構成，根據“多能互補、品位耦合、時序匹配、被動優先、主動優化”和“能源品位分級供給、優先使用低品位能源、按時序合理分配能源”的原則配置，達到改善草原民居的熱舒適性，降低化石能源供熱能耗，減少有害物排放，提高可再生能源利用率的目的。

3.1 陽光間

附加陽光間的得熱時間是白天陽光充足時段，開啟時間選擇白天。陽光間窗墻比設置為0.7，屋頂、外墻設置外窗，考慮防水要求，屋頂外窗不設窗扇。墻體采用現澆混凝土墻，外窗玻璃采用普通中空玻璃（6 mm+13 mm a+6 mm），窗框材質為塑鋼（PVC），窗內設置窗簾，冬季窗簾閉合時間為19:00至次日7:00，以減少夜間室內熱量流失，起到保溫隔熱作用，根據陽光間尺寸及窗墻比、門窗樣式建立改造后典型民居Design Builder建筑模型，如圖3所示。

圖3 附加陽光間模型圖

3.2 風電供熱系統

草原民居使用的風力發電方式為離網供電[10]，即將風力發電機組發出的電能直接供給農牧民，或儲存在蓄電池內供無風時使用。風能屬于低品位能源，按照本文制定的能源分配原則，風電供熱系統應全天啟用，優先使用。風電轉化端采用1臺乃爾牌NE-2500型風電機，額定功率2500 W，最大功率3000 W，啟動風速2.5 m/s，安全風速45 m/s，風輪直徑4.6 m，塔架高度9 m，葉片數量3片、材質為增強玻璃鋼，工作溫度為-40 ℃~80 ℃，自動調整迎風角度。電能儲存端采用6塊普天牌鉛酸蓄電池，單塊電池容量250 A·h，標準電壓12 V；柳晶牌MD250 A 1600 V型整流器1臺；歐陸牌JS-3000 VA型逆變器1臺，功率3000 W；導線及控制元件若干。電熱轉化端為3臺興園牌JRQ-15電散熱器，功率1000 W，分別設置在熱環境較差的主臥、次臥1、2，部分組件如圖4所示。

圖4 風電供熱系統部分組件

圖5 火炕+散熱器供熱系統設計圖

3.3 節能型火炕+散熱器供熱

新系統將草原民居原有供熱模式中火炕和土暖氣進行結構改造，取消原有用于加熱火炕的土灶，將火炕接入重力循環熱水供暖系統，組成火炕+散熱器聯合供熱系統，利用水暖鍋爐的煙氣通過煙道連接加熱火炕，在火炕煙氣入口處設置擋煙板1，水暖鍋爐煙氣外排口處設置擋煙板2，火炕煙氣出口設置擋煙板3。當打開擋煙板2，關閉擋煙板1、3時，水暖散熱器單獨供熱，當關閉擋煙板2，打開擋煙板1、3水暖散熱器與火炕聯合供熱，如圖5所示。該系統既利用鍋爐外排的煙氣熱量，又可以根據室內溫度靈活調節供暖模式，達到節能的效果。節能型火炕+散熱器作為以高品位能源作為燃料的供熱模式，依據原則應在晚間開啟，起到對被動式、低品位能源供熱的補充。將原有土灶消耗燃料累加在改進后聯合供熱鍋爐中，得到改進后聯合供熱鍋爐的功率為2530.46 W，熱效率參考普通家用水暖供熱鍋爐設置為55%。

3.4 改造后熱環境模擬

對多能耦合供熱模式下民居的室內溫度、Fanger PMV進行模擬輸出，模擬結果如圖6所示。

圖6 改造前后室內熱環境對比圖

改造后，典型民居日室內干球溫度范圍為12.32~14.85 ℃，平均溫度為13.81 ℃，溫度比改造前提高了24%，有27天的溫度滿足《農村居住建筑節能設計標準》GB/T 50824-2013中農村地區冬季室內較適宜溫度13 ℃~26 ℃的要求；Fanger PMV范圍為-3.12~-2.47，平均值為-2.75，在Fanger PMV指標中評價為冷，熱舒適性得到改善。

4 結論

通過對西部草原地區典型民居冬季供熱模式的調研、多能耦合供熱模式的構建和數值模擬分析，得出以下結論：

（1）西部草原地區典型民居冬季現有供熱模式以火炕、土暖氣為主，使用火炕、土暖氣民居分別達到73.21%、64.29%；

（2）現有火炕、土暖氣供熱模式供熱效果較差，經Design Builder數值模擬，客廳、臥室溫度均達不到民用建筑標準要求；熱舒適性無法滿足農牧民健康生活；

（3）針對現有供熱模式出現的問題，本文構建出西部草原地區民居冬季多能耦合供熱模式，為未來該地區民居供熱設計提供一定的參考；

（4）通過Design Builder模擬計算，多能耦合供熱模式可以使室內溫度提高24%，冬季最冷月Fanger PMV熱感覺由寒冷提升至冷。在該地區民居設計建造中應充分利用太陽能、風能資源，構建多能耦合供熱模式，提高室內溫度和熱舒適性。

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[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T50824-2013農村居住建筑 節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2013

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[10] 宋俊.風能利用[M].北京:機械工業出版社,2014

Multi-energy Coupling Heating Mode of Typical Residential Buildings in Western Inner Mongolia

JIN Guo-hui, WANG Bo

1./,014010,2.016000,

The traditional Kang and older water heating were main heating modes for the residential buildings in the western grassland area of Inner Mongolia in winter, the heating effect was poor and unable to meet the requirements of thermal comfort. In this paper, the Design Builder software is used to establish a typical grassland dwelling model, the indoor temperature and the thermal comfort under the traditional heating mode and the multi-energy coupled heating mode in January in this area are analyzed and compared, the results showed under the multi-energy coupled heating mode, the indoor temperature increases by 24%, and the thermal comfort of the coldest month is improved from severe cold to cold，in the design and construction of residential buildings in this area, we should make full use of solar energy and wind energy resources to build the multi-energy coupling heating mode to improve indoor temperature and thermal comfort.

Prairie residence; heating mode

TU241.4/TU201.5

A

1000-2324(2019)05-0831-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.020

2018-05-30

2018-06-28

國家自然科學基金(51768053、51668051);內蒙古自然科學基金(2016MS0516、2017MS(LH)0532);西部綠色建筑國家重點實驗室培育基地開放研究基金(LSKF201803)

金國輝(1965-),男,碩士,教授,主要從事建筑節能與綠色建筑研究.E-mail:15540252138@163.com