封廈處理對寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅供暖需求影響

王典鵬 劉猛* 徐文璐 何昱潔

1 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

2 重慶大學(xué)綠色建筑與人居環(huán)境營造國際合作聯(lián)合實驗室

3 國家級低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心

0 引言

探究寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅在實際應(yīng)用條件下的供暖需求是推進清潔供暖改造的重要工作，而圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對供暖需求的影響尤其明顯[1-2]。相比城市，寒冷地區(qū)農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求更低[3-4]，因此，無法滿足城市住宅要求的構(gòu)造做法可能具備在農(nóng)村推廣的潛力，比如：封廈處理（附加陽光間），即在入戶門外墻與外界空間之間增加玻璃幕墻緩沖空間。已有研究關(guān)注封廈處理在不同氣候情況下節(jié)能潛力[5-6]，陽光間玻璃類型、玻璃數(shù)量、填充氣體類型和氣體層厚度對封廈節(jié)能效果的影響[7]，封廈處理與相變材料、機械通風系統(tǒng)等結(jié)合的節(jié)能效益[8-9]等等。上述研究多默認供暖設(shè)備不間斷運行，實際上“部分時間、部分空間”的間歇運行工況較為常見[10]。

綜上所述，現(xiàn)有研究忽視了農(nóng)村住宅典型的供暖工況，缺乏對封廈處理節(jié)能效果的對照性評估。本研究以按照標準限制進行圍護結(jié)構(gòu)熱工改造后的節(jié)能效果作為參考值，對封廈處理在寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅典型供暖工況下的節(jié)能效果進行評估。

1 研究方法

根據(jù)山東省濟寧市、山西省太原市等地區(qū)的調(diào)研結(jié)果與既有研究，總結(jié)出農(nóng)村典型戶型特點：供暖房間較為集中，供暖建筑體中央一間為起居室，東西兩側(cè)各有1～2 間臥室，輔助用房分布在庭院中，如圖1所示。其中有色填充部分的房間表示主要供暖房間，只進行圍護結(jié)構(gòu)熱工改造的住宅沒有“封廈處理（附加陽光間）”部分。建筑只設(shè)1 層樓，不考慮層間傳熱，層高3.3 m。

圖1 農(nóng)村住宅模型

本研究通過DeST-h 軟件對農(nóng)宅熱負荷進行模擬計算，室內(nèi)溫度取14 ℃，室外氣象參數(shù)使用軟件自帶數(shù)據(jù)庫。考慮到農(nóng)村家用電器較少，內(nèi)部熱源僅考慮照明和人員，每日照明功率密度取7 W/m2，人員在室率與供暖設(shè)備運行工況聯(lián)動。工況設(shè)置按熱工性能提升措施和供暖設(shè)備運行工況區(qū)分：熱工性能提升措施分為普通熱工改造和封廈處理，兩種供暖工況分別為不間斷供暖和“部分時間部分空間”的間歇供暖，具體工況設(shè)置如表1、2 所示。

表1 熱工性能設(shè)置

表2 供暖設(shè)置

2 結(jié)果及分析

供暖需求主要從以下三方面考量：供暖設(shè)備最大負荷，臥室供暖季累積負荷以及供暖設(shè)備部分負荷段運行時間占比。

供暖設(shè)備最大負荷用于反映設(shè)備容量，臥室供暖季累積負荷和供暖設(shè)備部分負荷段運行時間占比反映供暖設(shè)備運行能耗。部分負荷段運行時間占比即按照供暖設(shè)備最大負荷的25%，50%，75%，100%分為4個負荷段后，各負荷段的設(shè)備工作時間（設(shè)備負載率），可以反映供暖設(shè)備的運行能效，50%以下負荷段屬于設(shè)備低效運行段，而50%以上負荷段屬于設(shè)備較高效運行段。

2.1 間歇供暖對負荷影響

本節(jié)討論間歇供暖對負荷影響的區(qū)別。工況a-1、a-2 臥室最大負荷如圖2 所示。

圖2 工況a-1、a-2 最大負荷

受間歇供暖再熱負荷的影響，原始數(shù)據(jù)未處理前，工況a-2 臥室最大負荷相比工況a-1 提升近130%，這意味著供暖設(shè)備的容量將是不間斷供暖的2 倍。進一步探究發(fā)現(xiàn)，工況a-2 的最大負荷通常出現(xiàn)在開機1 h內(nèi)，即20 點-21 點期間，1 h 后負荷波動趨于緩和，連續(xù)2 h 之間負荷波動幅度在20%以內(nèi)，可以認為再熱負荷的影響已經(jīng)消除。因此，取開機1 h 后的最大負荷值作為供暖設(shè)備最大負荷，即供暖季最大不保證120 h的最大負荷。按照此方法選擇的最大負荷值降低28%，較工況a-1 的最大負荷提升僅65%，后續(xù)研究的最大負荷皆按照此方法選取。

兩種工況下累積負荷和部份負荷段運行時間分布也明顯不同。如圖3、圖4 所示。

圖3 工況a-1、a-2 累積負荷

圖4 工況a-1、a-2 部分負荷段運行時間占比

分析得知，工況a-2 相比工況a-1 累積負荷降幅明顯，達到34%。但以50%最大負荷值為運行能效分界點，兩種工況設(shè)備運行時間占比有明顯區(qū)別，工況a-2 會使設(shè)備在低效負荷段的運行時間占比提高約15個百分點：設(shè)備在0～25%，75%～100%兩個負荷段的運行時間差別不大，工況a-2 會略微降低兩者的占比2-5個百分點。受影響最大的是25%-50%和50%～75%兩個負荷段，相比工況a-1，工況a-2 會增加25%～50%負荷段的運行時間占比17 個百分點，降低50%～75%負荷段的運行時間占比10 個百分點。這說明間歇供暖會對設(shè)備運行能效造成負面影響，盡管累積負荷降低，但供暖季節(jié)的節(jié)能情況仍有待探討。

不同供暖工況下農(nóng)宅的負荷情況存在明顯的區(qū)別，鑒于兩種供暖工況的差異性，有必要研究間歇供暖下封廈處理的實際效果。

2.2 封廈處理對負荷影響

本節(jié)討論b 系列工況負荷情況，即間歇供暖下封廈處理對負荷的影響。附加陽光間進深在0.6～1.5 m的區(qū)間內(nèi)按0.3 m 的間隔取進深值，節(jié)能率即封廈后的特征值相比未封廈下降的百分比，見圖5。

圖5 封廈處理的負荷節(jié)能率

分析得知，封廈處理具有較明顯的降低負荷效果，在0.6 m 進深下，可以實現(xiàn)25.8%的最大負荷節(jié)能率以及36.8%的累積負荷節(jié)能率，但隨著封廈處理附加陽光間進深的增加，節(jié)能率呈現(xiàn)線性下降趨勢，0.6-1.5m 進深區(qū)間內(nèi)最大負荷節(jié)能率和累積負荷節(jié)能率的極差分別為2.6 和4.8 個百分點，因此，僅作為集熱部件的附加陽光間進深應(yīng)當控制在0.6 m 以內(nèi)。

封廈處理在不同進深的部分負荷段運行時間占比近乎一致，因此取進深1.2 m 的部分負荷分布情況和封廈前對比，見圖6。

圖6 封廈前后部分負荷段運行時間占比

可以發(fā)現(xiàn)，封廈處理會使設(shè)備在低效負荷段的運行時間占比降低約20 個百分點：設(shè)備在0～25%負荷段運行時間占比無明顯變化，25%～50%負荷段運行時間占比降低20 個百分點，50%～75%負荷段運行時間占比提高18.5 個百分點，75%～100%負荷段運行時間占比提高1.5 個百分點。這說明，附加陽光間作為集熱部件一定程度上減弱了再熱負荷的負面影響，使得設(shè)備容量降低的同時，提高了設(shè)備負載率，讓設(shè)備在50%以上高效運行負荷段時間占比顯著提高，對設(shè)備供暖季節(jié)運行能效的提高有積極作用，有助于改善間歇供暖降低能效的負面特性。

2.3 封廈處理的節(jié)能效果評估

從上節(jié)分析中可以看到，封廈處理在間歇供暖工況下對降低設(shè)備容量和季節(jié)能耗都具有積極作用，本節(jié)以達到標準限值的圍護結(jié)構(gòu)普通熱工改造可以實現(xiàn)的節(jié)能效果作為參照，對封廈處理的節(jié)能效果進行分析評估。

受農(nóng)村經(jīng)濟條件限制，部分地區(qū)可能無法對圍護結(jié)構(gòu)進行全面的節(jié)能改造，因此考察單類圍護結(jié)構(gòu)改造后的供暖需求變化具有現(xiàn)實意義，如最為常見的外墻+門窗改造。因此，將圍護結(jié)構(gòu)普通熱工改造分為外墻+門窗改造和全改造兩類，作為對照組與1.2 m進深封廈處理進行比較。工況c-1、c-2 的最大負荷、累積負荷節(jié)能率如圖7 所示。

圖7 熱工性能提升的負荷節(jié)能率

分析可知，封廈處理可以實現(xiàn)與外墻+門窗改造相近的節(jié)能率，但相距圍護結(jié)構(gòu)全改造的節(jié)能效果還存在較大差距：封廈處理最大負荷節(jié)能率與外墻+門窗改造幾乎一致，累計負荷節(jié)能率高出近6 個百分點，總體上兩個措施的節(jié)能效果相近。但封廈處理與僅達到標準最低限值的圍護結(jié)構(gòu)全改造相比也存在明顯的差距，節(jié)能率約低22%，約為全改造節(jié)能率的50%～60%。

上節(jié)提到封廈處理可以顯著改善間歇供暖下供暖設(shè)備負載率，其與圍護結(jié)構(gòu)熱工改造的對比如圖8所示。

圖8 熱工性能提升的部分負荷段運行時間占比

分析得知，相比原始圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)全改造會增加設(shè)備50%以下負荷段運行時間占比約12 個百分點，設(shè)備負載率降低。這表明圍護結(jié)構(gòu)全改造后再熱負荷相比房間熱負荷的相對影響有所增強，而附加陽光間可以減弱該影響，提高設(shè)備負載率。

3 結(jié)語

本研究證明了農(nóng)宅間歇供暖負荷情況顯著不同于不間斷供暖，因此針對間歇供暖工況，與常見的圍護結(jié)構(gòu)熱工改造措施對比考察了封廈處理的實際效果，得出以下結(jié)論：

1）間歇供暖會導(dǎo)致設(shè)備容量的顯著增大，在最大不保證開機1 h 的情形下，可以有效降低設(shè)備容量，但仍然大于不間斷供暖設(shè)備容量約65%。因此，針對間歇供暖工況的供暖設(shè)備應(yīng)著重提高開機超頻運行的能力。此外，間歇供暖可以有效降低季節(jié)負荷，但也會降低設(shè)備的負載率，從而降低運行能效。

2）陽光間0.6～1.5 m 進深區(qū)間內(nèi)，隨進深的增加，負荷節(jié)能率線性降低，極差2%～5%，因此陽光間無其他用途時應(yīng)盡量控制其進深不宜過大。進深不會顯著影響設(shè)備部分負荷段運行時間，采取封廈可以有效提高設(shè)備負載率，有助于緩解間歇供暖工況造成的負載率低下。

3）間歇供暖工況下封廈處理節(jié)能率與外墻+門窗改造效果基本持平，節(jié)能率在30%左右，但其較圍護結(jié)構(gòu)全改造的節(jié)能率還有差距，只能實現(xiàn)約二分之一的效果。不過，實施圍護結(jié)構(gòu)全改造后會進一步加劇間歇供暖工況造成的設(shè)備負載率低下的問題，封廈處理可以作為圍護結(jié)構(gòu)全改造的補充措施提高設(shè)備負載率，進而提高設(shè)備季節(jié)運行能效，在經(jīng)濟受限無法對圍護結(jié)構(gòu)全改造的情況下，也可以優(yōu)先考慮封廈處理。

綜上所述，在間歇供暖工況下，封廈處理具有和外墻+門窗熱工改造相近的降低房間負荷效果，同時可以改善間歇供暖工況以及圍護結(jié)構(gòu)全改造導(dǎo)致的設(shè)備負載率低下的問題。考慮到其施工的簡易程度，在經(jīng)濟受限的情況下，可以作為寒冷地區(qū)農(nóng)宅熱工性能提升的優(yōu)先措施推廣。在經(jīng)濟允許的情況下，可以把封廈處理作為圍護結(jié)構(gòu)全改造的補充措施，進一步降低設(shè)備容量和供暖季節(jié)能耗。