北方典型農村住宅太陽能輔助采暖優化設計

劉慶玉，關 琦，張 敏，劉曉飛，李占濤，王永超，郭海榮

（1.沈陽農業大學 工程學院，遼寧 沈陽 110161； 2.遼寧省凌源市農村能源辦公室，遼寧 凌源 122500；3.遼寧省建平縣農村能源辦公室，遼寧 建平 122400）

0 引言

北方地區建筑冬季室內溫度低、 溫度波動幅度大[1]、采暖能耗高[2]，[3]，環境污染問題嚴重。 為節約建筑能耗，改善居住環境，國內外學者在建筑節能優化及太陽能利用方面進行了大量的研究。

通過能耗模擬軟件對建筑能耗進行模擬是建筑節能優化的常用手段[4]，[5]。 祁清華[6]利用 Energy Plus 能耗模擬軟件，對農村住宅室內熱環境參數進行數值模擬和分析的結果表明，冬季外窗設置XPS 保溫板可降低夜間的失熱量，增大建筑節能潛力。 胡粉娥[7]對小型太陽能低溫熱水地板輻射采暖系統進行了實例計算，結果表明，在采暖代表日，當集熱器與采暖房間的面積比約為2∶5 時，民居室內采暖溫度可達20 ℃。 韓興超[8]在傳統太陽能光熱系統中加入相變儲能模塊，利用相變溫度為58 ℃的相變材料可持續為用戶提供45 ℃以上的熱水。

綜上所述，已有研究多為利用建筑能耗模擬軟件對建筑設計末端的建筑能耗進行模擬分析與評價，缺乏在建筑設計初期對建筑形態進行優化和設計。 本文以遼寧地區典型農村住宅為研究對象，通過正交試驗對農村住宅形態結構及保溫措施進行節能設計。 基于建筑能耗模擬軟件DeST計算出的建筑熱負荷，比較各節能措施對建筑能耗的影響，得出節能農村住宅的最優方案。 最后，針對太陽能供暖系統普遍存在的供能不穩定、成本高、室內溫度低的問題，提出了太陽能與生物質能聯合采暖的建筑供熱方案，以期為北方地區農村住宅的節能優化設計提供技術支持。

1 農村住宅結構模擬優化

1.1 建筑結構節能設計

1.1.1 模型建立與參數設置

本文選取遼寧省寬甸縣一典型單層獨棟農村住宅（以下簡稱農宅）建立基礎模型，原農宅層高3.1 m，平面布置如圖1 所示[9]。 外墻采用厚度為370 mm 的紅黏土磚墻，外窗材料采用單層玻璃木質平開窗。 建立模型時保留農宅原有圍護結構條件及室內空間布局。

圖1 典型農宅平面布置圖Fig.1 Plane Layout of Typical Farmhouse

當地日平均溫度為7.22 ℃，采暖季平均溫度為-8.31 ℃，年平均太陽能輻射總量為4 524.8 MJ/m2，年日照時數為 2 326.5 h。 在 DeST-h 軟件中選用寬甸地區的典型氣象資料作為模擬氣候條件[10]，模擬時間選取當地采暖期：11 月 1 日-次年3 月31 日。 為提高居民生活舒適度，節約能耗，將農宅按使用功能進行室內熱環境參數設置[11]：主臥、次臥及起居室溫度均設為18 ℃，廚房設為14℃；人員熱擾設定為3 人，換氣次數為0.5 h-1；其他室內環境參數均按農村居民生活習慣設定[12]。

1.1.2 正交試驗設計

本文以屋頂形式（A）、建筑長度（B）、建筑寬度（C）、建筑層高（D）、東向窗墻比（E）、西向窗墻比（F）、南向窗墻比（G）、北向窗墻比（H）為試驗因素，以原農宅模型尺寸為基準確定設計因素的水平。屋頂形式因素考察2 個水平，分別為平屋頂和坡屋頂，其他試驗因素考察3 個水平，見表1。

表1 因素水平統計Table 1 The statistics of factor level

采用 L18（2×37）混合正交實驗表設計正交試驗，分別分析農宅在普通6 mm 單層玻璃外窗（a外窗）、普通中空雙層玻璃外窗（中空9 mm）（b 外窗）、鍍 Low-e 膜中空玻璃外窗（高透型）（c 外窗）3 種工況參數條件下，各試驗因素對建筑單位面積累計熱負荷的影響，結果如表2 所示。

表2 試驗方案與試驗結果Table 2 Test scheme and test results

1.1.3 正交試驗結果分析

由表2 可知，采用b，c 外窗的農宅單位面積累計熱負荷明顯低于a 外窗農宅，使用熱工性能較好的雙層外窗可以降低約35%的能耗。 在選用保溫性能較好的外窗時，西向與南向窗墻比越大，單位面積累計熱負荷越小。 采用a 外窗與c 外窗的熱負荷相近。 Low-E 玻璃傳熱系數低，可以防止室內熱量散失，降低采暖能耗，但其太陽輻射透過率低于普通雙層玻璃，導致接受太陽能輻射量低于雙層玻璃。

極差R 值越大，試驗因素對試驗指標的影響越大，分析結果見表3（表中僅列出單層玻璃外窗相關參數，其他兩種外窗計算方法同上）。 當農宅采用a 外窗時，對農宅熱負荷的影響因素依次為D>B>E>C>H>A>F>G。 采用 b 外窗與 c 外窗對農宅熱負荷的影響類似，依次為D>A>B>C>H>G>E>F。 由此可見，無論采用何種熱工參數的外窗，農宅幾何形態參數對建筑熱負荷影響都相對較大；外窗保溫性能越好，南向窗墻比對建筑熱負荷的影響越大，當外窗保溫性能較差時，建筑白天接受太陽熱輻射的得熱量與夜晚損失量相抵，導致全年熱負荷上升。

表3 試驗結果分析Table 3 Analysis of test results

設計因素的最優組合與所選評價指標建筑熱負荷有關，因熱負荷越小越有利于節能，故選取指標小的水平組合作為最優方案。結果表明：當農宅采用a 外窗時，最優方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0，南向窗墻比0.2，北向窗墻比0，屋頂形式為平屋頂；當農宅采用保溫性能較好的b 外窗與c 外窗時，最優方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0，屋頂形式為平屋頂。

綜合比較3 種方案，農宅采用b 外窗的最優方案比其他兩種方案更為經濟節能。 為保證建筑的自然采光與通風條件良好及居民生活習慣，將最優方案北向窗墻比調整為0.2。

1.2 保溫材料選擇及參數優化

對建筑圍護結構進行保溫以降低建筑能耗，提升室內溫度。 常見的保溫材料有模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS 板）、擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS板）、硬泡聚氨酯板（PUR 板）等[13]；地面保溫材料還有具有保溫特性的頁巖陶粒、爐渣等松散材料。

以原農宅為基礎模型，其他參數不變，分別改變建筑模型外墻和地面的保溫層材料及厚度，建筑單位面積熱負荷隨參數變化情況如圖2 所示。在所選厚度范圍內，單位面積熱負荷隨保溫層厚度增加而降低。爐渣和陶粒價格便宜，原材料易獲得，但保溫性能差且爐渣吸水性大，不利于防水。因此，不建議用爐渣作地面保溫材料。鋪設聚氨酯泡沫塑料保溫板的外墻及地面，單位面積熱負荷均低于其他保溫材料。 當 EPS 板、XPS 板、PUR 板厚度大于50 mm 后，單位面積熱負荷降幅減弱。

圖2 圍護結構保溫材料對農宅單位面積熱負荷影響Fig.2 The influence of exterior wall insulation material on the energy consumption of farmhouse per unit area

通過優化原農宅的建筑結構與保溫材料參數后，得出優化方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比 0，西向窗墻比 0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0.2，屋頂形式為平屋頂，外窗材料采用b 外窗，外墻及地面保溫材料采用50 mm厚的XPS 板。 屋頂保溫方式對建筑能耗影響顯著，經計算，坡屋頂吊平棚保溫比平屋頂單位面積節能約2%。 因此，屋頂保溫形式采用坡屋頂吊平棚保溫。 對完善后的節能農宅最優方案進行能耗模擬，農宅最優方案單位面積累計熱負荷為48.50 kW·h/m2，比原農宅降低 38.4%。

2 太陽能熱水輔助采暖設計

因遼寧位于嚴寒地區，僅靠被動太陽能采暖不能滿足采暖需求，本文在優化原農宅建筑結構及保溫材料的基礎上，設計了太陽能熱水采暖系統及輔助熱源供熱。圖3 為供暖系統示意圖，太陽能集熱器陣列安裝于建筑物坡屋頂，集熱器采用串-并聯連接，儲熱水箱、循環水泵安裝于設備機房中。室內采用地暖盤管供暖，在地暖盤管上方設置卵石空氣間層，通過卵石良好的導熱性，將地暖盤管中的熱量充分利用，使地面熱度均勻，提升熱能使用效率[14]。

圖3 太陽能主動供暖系統Fig.3 Solar active heating system

2.1 太陽能集熱器

根據冬季采暖熱負荷，計算太陽能集熱器的面積：

式中：Ac為直接式系統集熱器面積，m2；Qh為建筑物耗熱量，W；JT為當地集熱器采光面積上的平均日太陽輻照量，J/（m2·d）；f 為太陽能保證率，%；ηcd為基于總面積的集熱器平均效率，本文取37%；ηL為管路及儲熱裝置的熱損失率，%。

冬季采暖熱負荷為6.131 kW，大于夏季生活用水熱負荷0.194 kW，將冬季采暖熱負荷代入式（1），經計算，當太陽能提供全部采暖熱負荷時，集熱器面積為 30.82 m2。 根據 GB 5095-2009《太陽能供熱采暖工程技術規范》規定，短期蓄熱太陽能供熱供暖系統每平方米太陽能集熱器對應儲熱水箱容積為50～150 L，本文取50 L，則若由太陽能提供農宅采暖所需的全部能耗，儲熱水箱容積為1.54 m3。 根據集熱器面積與太陽能集熱系統造價曲線[15]，太陽能集熱系統費用為3.7 萬元。

2.2 輔助采暖方式選擇

因太陽能供暖在連續陰雨天及夜間不能滿足供暖熱負荷要求，為了保證采暖系統供應質量，應在采暖系統添加輔助熱源。

2.2.1 常規采暖方式對比

農宅常規采暖方式的技術參數對比如表4 所示。 由表可知，燃氣采暖與電采暖運行成本較高；燃煤鍋爐的運行成本與生物質鍋爐相近。 由于生物質儲量豐富，故選用生物質鍋爐作為輔助采暖方式。

表4 常規采暖方式技術參數對比Table 4 Technical parameters comparison of conventional heating ways

2.2.2 太陽能-生物質能聯合供暖系統年節能量分析

根據太陽能集熱器供暖提供的熱量占所需供暖總量的百分比，將太陽能-生物質能聯合供暖系統分為4 種采暖方案，不同采暖方案投資金額 隨采暖系統運行時間的變化情況如表5 所示。

表5 不同采暖方案投資金額隨采暖系統運行時間變化情況Table 5 The variation of investment amount of different heating schemes with operation time of heating system 萬元

由表5 可知，當太陽能供暖系統的供熱量和生物質采暖爐的供熱量分別為建筑采暖總需熱量的25%和75%時，初投資費用最小，投資金額為1.33 萬元，且在采暖方案投入使用20 a 內，該方案采暖系統運行費用最低，經濟性最佳。

供暖系統的年節能量為

式中：ΔQ 為系統節能量，MJ；Jt為當地集熱器采光表面年太陽輻照量，MJ/m2；ηc為管路和水箱的熱損失率，本文取25%。

此方案太陽能集熱器面積為7.75 m2，儲熱水箱容積為0.4 m3，該水箱便于室內儲存，解決儲熱水箱冬季保溫問題。 經計算，該太陽能-生物質聯合供暖方案每年可節約熱量為11 768.85 MJ，與采用普通燃煤鍋爐的農宅相比，CO2年排放量減少了 1.3 t。

3 結論

針對北方地區農宅冬季采暖能耗大、 室內溫度低的問題，本文對建筑結構進行優化，降低農宅熱負荷，并結合太陽能-生物質能聯用輔助采暖系統為建筑供熱，得出以下結論。

①當農宅采用單層玻璃外窗時，對農宅熱負荷的影響因素依次為房屋層高>建筑長度>東向窗墻比>建筑寬度>北向窗墻比>屋頂形態>西向窗墻比>南向窗墻比； 采用普通雙層玻璃外窗與鍍Low-e 膜中空玻璃外窗對農宅熱負荷的影響類似，依次為房屋層高>屋頂形態>建筑長度>建筑寬度>北向窗墻比>南向窗墻比>東向窗墻比>西向窗墻比。

②農宅的建筑結構和保溫材料參數最優方案為建筑長12 m，寬10 m，高2.6 m，東向窗墻比0，西向窗墻比0.4，南向窗墻比0.6，北向窗墻比0.2，屋頂形式為坡屋頂吊平棚保溫，采用普通雙層玻璃外窗，外墻及地面保溫材料采用50 mm 厚的XPS 板。 最優方案單位面積累計熱負荷為48.50（kW·h）/m2，比原農宅降低 38.4%。

③利用太陽能-生物質能聯合供熱系統為農宅供暖，當太陽能供暖系統的供熱量和生物質采暖爐的供熱量分別為建筑采暖總需熱量的25%和75%時，初投資金額最小，運行費用最低，年可節約熱量11 768.85 MJ。