基于熱舒適性與經濟性的內蒙古西部近零能耗農宅構建

摘要： 內蒙古西部冬季嚴寒，傳統供暖方式存在著采暖能耗高、室內熱舒適性差和圍護結構保溫效果不足等問題。本文基于當地豐富的太陽能和風能資源，通過實地調研，構建附加陽光間系統、太陽能熱水循環子系統和風能供暖系統，采用正交實驗法，通過數值模擬分析確定最優組合方案。結果表明：新建農宅每年減少能耗18 631.69 kW·h，能耗降低率為82.68%，滿足近零能耗建筑技術標準，冬季最冷月室內平均溫度提高了8.72 ℃，平均PMV提高了2.14，室內熱舒適性和穩定性較好。最后，對能耗、室內熱舒適性、經濟、環境和社會進行綜合效果評價，得到效費比V=1.48，投資回收期為16.95 年。本研究為內蒙古西部地區的供暖方式革新、室內環境優化及能源結構升級提供切實的指導和借鑒，為構建該地區“生態優先，綠色發展”的戰略布局提供理論支撐。

關鍵詞： 熱舒適性；經濟性；近零能耗農宅；方案構建；數值模擬

中圖法分類號： TU111.19 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）06-0881-08

長期以來，內蒙古西部地區的民居供暖主要依賴火炕和燃煤鍋爐，盡管這些方式在一定程度上滿足了供暖需求，但其供熱效率相對較低，供暖效果不盡如人意，并帶來了一定的環境污染問題。

隨著農民生活水平不斷提升，農村社會建設日益重視提高居民生活質量，對住宅建筑的能效和室內熱舒適的要求也日益增長。2020 年9 月22 日，中國國家主席習近平在第75 屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和［1］?！敝袊ㄖ芎难芯繄蟾姹砻?，2021 年全國房屋建筑全過程能耗總量為23.5 億tce，占全國能源消費總量比重為44.7%，其中農村居住建筑能耗2.2億tce，占比9.36%［2］。內蒙古能源消費體系仍以煤炭等化石能源為主，2021年內蒙古煤炭占一次能源消費比例高達81% 左右［3］。隨著對氣候變化和資源枯竭等問題的關注不斷上升，全球范圍內建筑領域的可持續性已經成為一個備受關注的重要議題。目前，利用清潔能源構建供暖系統對住宅進行綜合研究是當前眾多學者的研究重點。2021 年，Aziz 等［4］在巴基斯坦考察了將光伏能源與其他可再生能源相結合應用于近零能耗建筑產生的影響，結果表明，采用水電和光伏相結合的能源框架是好的選擇。Alessandra 等［5］采用Hooke-Jeeves 優化方案（在GenOpt 軟件中實現），尋找太陽能熱板、光伏板和熱水儲罐的最佳配置，以降低綜合成本，研究了近零能耗建筑中的太陽能系統潛力。Xia 等［6］人通過研究可再生能源的利用，將其與太陽能相結合構建了多套4 供暖系統，有效改善了中國集裝式日光溫室的冬季種植能力。王波等［7］采用Design Builder 軟件，建立典型草原民居模型，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。張亞磊等［8］河北省現有的太陽能耦合地源熱泵供暖系統為基礎，借助TRNSYS軟件，研究表明，與太陽能耦合地源熱泵供暖系統相比，太陽能-地源熱泵相變蓄熱供暖系統模型具有更好的經濟效益。陳淑琴等［9］對近零能耗住宅光伏系統、光熱系統及其儲能設備同時進行優化配置和分配位置，采用粒子群優化算法，結果表明，與傳統方案相比較建筑能耗有所降低，運行費用增加。李旭林等［10］通過DeST能耗模擬軟件，借助Trnsys仿真平臺對單一空氣源熱泵系統和耦合供熱系統進行對比分析，結果表明耦合供熱系統具有更好的優越性。

過往的研究中，學者們多聚焦于太陽能與熱泵的聯合應用，而對于太陽能與風能結合構建供暖系統的探索則相對匱乏。鑒于此，本文中秉持可持續發展的核心理念，借助DeST-h 能耗模擬軟件和TRNSYS仿真軟件，設計農宅方案，創新性地引入了附加陽光間系統、太陽能熱水循環子系統以及風力供暖系統，旨在有效降低農宅的采暖能耗，進而改善農村居民的居住環境，實現能源利用的高效與環保。

1 基準模型建立

1.1 農宅模型構建

選取內蒙古西部為研究區域，農村住宅為研究對象，結合當地的建筑形式和特點，分別構建基準農宅和新建農宅。要求模型滿足具體實際需求并且圍護結構構造滿足相關規定。其中，基準農宅開間12.5 m、進深9 m，層高2.8 m，建筑面積120.59 m2；新建農宅在基準住宅的基礎上增添1.5 m的陽光房，基準農宅平面圖與立面圖如圖1所示。

1.2 供暖系統模型構建

1.2.1 附加陽光間系統 附加陽光間是一種半封閉式空間，常見于建筑的南向外墻，設置進深為1.5 m［11］，由玻璃圍護結構組成，并采用具有良好的蓄熱性能的隔熱材料，玻璃選擇三層中空玻璃窗。冬季室外光照充足時，陽光間會吸收更多的熱量，并將其儲存在住宅的南墻中，通過熱對流作用，將儲存在陽光間中的熱量通過南向圍護結構傳輸到室內，使得室內房間溫度上升。這樣的設計能夠改善室內環境，提高居民居住舒適度，并減少農宅對其他能源的消耗。

1.2.2 太陽能熱水循環子系統 根據實地調研結果，內蒙古西部農宅目前主要采用連炕灶和水暖氣作為供暖方式，其供暖效率較低，并且大量的化石能源燃燒會導致有毒氣體的產生，嚴重影響當地居民的健康和室內空氣質量。因此，利用該地豐富的太陽能資源，結合當地獨特的連炕灶，構建太陽能熱水循環子系統。太陽能熱水循環子系統包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環設備及管道、控制中心以及熱交換器等［12］，由平板式集熱器作為白天的主要熱源，熱能通過傳熱管道被傳遞，多余的熱能被存儲在熱水箱中，系統通常還包括一個輔助加熱系統，在天氣不佳或太陽能無法滿足熱水需求時啟動，借助天氣文件，使用TRNSYS 軟件，構建太陽能熱水循環子系統［13］與模型圖如圖2所示。

1.2.3 風能供暖系統 內蒙古西部具有豐富的風能資源，為充分利用這一可再生能源，本研究設計了風能供熱系統，通過將風能轉化成電能用來供暖。該系統主要有風能收集設備、轉換設備和供熱設備等組成部分。采用家用發電機發電，功率在1 200 W，啟動風速2.6 m/s，額定風速12 m/s，搭配15 V的蓄電池，風力發電機將發出的電儲存在蓄電池內，在采暖期時加熱電鍋爐，非采暖期時供給家用電器使用。在TRNSYS軟件中，設置積分器組件，用于計算風力發電機全年的發電量，逆變器能確保系統能夠穩定、持續地運行，并且提供穩定的電力供應給住宅。根據風力發電機技術參數構建風力發電供暖系統模型，風力供暖系統［13］與模型圖如圖3所示。

1.3 參數設置

基準農宅圍護結構參數的有關詳細說明如表1 所示，根據《近零能耗建筑技術標準》（GB/T51350-2019）［14］中關于圍護結構平均傳熱系數（K）標準如表2所示。附加陽光間白天全天開啟；太陽能熱水循環子系統每天8：00～18：00 期間運行，運行功率設置為自動。根據內蒙古嚴寒C區的氣候特點和實際市政供暖時間，供暖期確定為10 月15 日至次年04 月15 日，模擬運行時間設置為全年8 760 h。根據當地氣候條件和《近零能耗建筑技術標準》［14］規定，我們將基準農宅的冬季室內設計溫度設為14 ℃，由于該地區制冷需求較小或者不存在制冷的情況，不設定制冷期?？紤]到住宅室內人員的活動、家用電器、燈泡照明時產生的熱量以及土炕或者空調采暖時產生的熱量，在本文中，按照相關規范在DeST-h 中選取照明最大發熱量為4 W/m2，客廳設備最大發熱量為9.3 W/m2，廚房設備最大發熱量為48.2 W/m2，附加陽光間農宅換氣次數設置為0.5次/h。

2 圍護結構優化

2.1 正交實驗

通過對內蒙古西部農宅進行調研分析，發現現有圍護結構傳熱系數均高于標準設定。因此對其圍護結構進行優化分析，重點考慮圍護結構的材料、陽光間進深、保溫層厚度等因素。基于此，選取影響住宅能耗較大的七個因素：保溫層材料、建筑朝向、陽光間進深、保溫層厚度、外墻材料、玻璃材質和南向窗墻比。采用L18（37）型的正交實驗表來分析計算結果，每個因素取三個水平，除了7 個影響因素外，將第8 列設置為實驗誤差列，組合得到18 個采暖能耗優化方案，因素水平取值如表3所示。

2.2 正交實驗結果分析

按照正交實驗方法對各正交分組的結果進行極差分析，極差的大小決定著影響因素對實驗結果的影響程度，數據匯總如表4 所示。根據正交實驗表的計算結果對各個因素極差的大小進行排序：保溫層材料（R=750.63）gt;玻璃材質（R=723.65）gt;南向窗墻比（R=485.95）gt;外墻保溫層厚度（R=295.06）gt;外墻材料（R=251.51）gt;建筑朝向（R=214.39）gt; 陽光間進深（R=145.21）。各要素對新建農宅采暖能耗的影響權重占比分別為：保溫層材料26.19%、建筑朝向7.48%、陽光間進深5.07%、保溫層厚度10.29%、外墻材料8.77%、玻璃材質25.25% 及南向窗墻比16.95%。由此可見，在對內蒙古西部農宅結構的優化中，首先考慮的應該是保溫層材料，合理的保溫層材料能夠有效降低住宅采暖能耗，其次考慮玻璃材質，傳熱系數小的材質能夠更好地吸收太陽熱量，阻止熱量散失；接著選擇對南向窗墻比、外墻保溫層厚度和外墻材料的優化；最后考慮對建筑朝向和陽光間進深進行優化。

采用DeST-h 能耗模擬軟件進行模擬計算，不同方案采暖能耗和節能率如圖4 所示。根據圖4 可知，對農宅設置附加陽光間以及改變圍護結構各項參數能夠有效降低農宅能耗，農宅節能率在5%～6%，在整個采暖期，農宅最大能耗為5 803.86 kW·h，最小能耗為3 287.76 kW·h，節能率分別為6.09%和5.29%。

將不同因素的極差大小繪制成正交實驗效應圖，如圖5 所示。由效應圖可知，在以最低能耗為前提時，內蒙古西部近零能耗農宅最優方案組合為：保溫材料為擠塑聚苯板，建筑朝向為270°正南方向，陽光間進深為1.25 m，保溫層厚度選擇120 mm，外墻材料設置為加氣混凝土砌塊，玻璃材質選擇三層中空玻璃窗，南向窗墻比設為0.5。

為了彌補極差分析時產生的誤差及各水平間的顯著性水平對方案能耗水平的影響，再對正交實驗結果進行方差分析。采用SPSS數據分析軟件對表4 數據進行方差分析，當某一因素表現為顯著性時，用“*”表示，方差分析結果如表5 所示。由表5 可知，在方差分析中，溫層材料、玻璃材質和南向窗墻比這三個因素對能耗的影響程度為顯著，影響因素重要程度由大到小依次為玻璃材質、保溫層材料、保溫層厚度、南向窗墻比、外墻材料、建筑朝向、陽光間進深，與極差分析的結果一致，進一步驗證了正交實驗法對內蒙古西部農宅能耗分析的適用性。

3 綜合效果評價

3.1 能耗分析

利用DeST-h 能耗模擬軟件和TRNSYS模擬仿真軟件，借助內蒙古西部氣象參數，分別對基準農宅和新建農宅進行能耗模擬分析。在理想狀態下，太陽能熱水循環子系統在整個供暖期轉換到終端的熱量為4 527.32 kW·h；風能供暖系統在整個供暖期內發電量為1 147.86 kW·h。基準住宅總能耗22 533.45 kW·h，折算成標準煤為2 769.36 kg；設置附加陽光間并對圍護結構進行優化后，新建住宅總能耗3 901.77 kW·h，折算成標準煤為479.53 kg。相比基準農宅，新建農宅年采暖能耗的降低率為82.68%，滿足《近零能耗建筑技術標準》［14］中規定的近零能耗建筑節能率在60～75%以上的標準。能耗對比分析柱狀圖如圖6所示。

3.2 熱舒適性分析

經過DeST-h 能耗模擬軟件和Fanger 熱舒適模型計算分析，得到了基準農宅和新建農宅在冬季最冷月的室內平均溫度和室內平均熱舒適度指標PMV值。由圖7可知，在傳統農宅冬季最冷月室內最低溫度為12.77 ℃，最高溫度14.35 ℃，平均溫度13.49 ℃，平均PMV值為?1.79，室內熱舒適性為涼，低于相關標準規定的冬季室內溫度18 ℃的標準，由此可見，基準農宅不能夠滿足人體居住熱舒適度的要求。新建農宅室內平均溫度和PMV值繪制如圖8 所示，由圖像可知，新建農宅的最高溫度是23.01 ℃，最低溫度21.16 ℃，平均溫度22.22 ℃，平均PMV值是0.35，室內熱舒適性為中性，室內平均溫度提高了8.72 ℃，平均PMV值提高了2.14，滿足冬季室內人員的舒適要求。相對于傳統供暖，設置附加陽光間并優化圍護結構后，室內平均溫度明顯提高，室內熱舒適性和穩定性較好。

3.3 綜合效益分析

3.3.1 經濟效益分析 近零能耗建筑和價值工程之間存在密切的聯系，價值工程可以在設計和建造近零能耗建筑時提供指導和方法，以確保項目在滿足能源效率和性能標準的同時，實現成本效益和可持續性，根據價值工程原理，構建數學模型為：

附加陽光間節約能耗折算成標準煤為2 289.83 kg；太陽能熱水循環子系統和風能供暖系統年節約用電量折算成標準煤697.481 kg，按照市場標準煤的價格750 元/t 計算［15］，年采暖費用可降低2 240.49 元。根據國家規定以及廣材網，太陽能熱水循環子系統和風能供暖系統初期增量成本分別為4 328.00 元和10 330.00 元；附加陽光間系統初期增量成本23 313.40 元，如表6 所示。計算周期設置為25 年?，F金流量圖如圖9所示。

借助投資回收期評價農宅建設投入成本后，其收益總額達到初始成本總額所需的時間，計算公式如式（2）所示。由此可計算得出，該農宅的投資回收期為16.95年。

通過上述分析，每年增量成本為1 518.86元，年增量效益為2 240.49元，應用價值工程模型計算得到效費比V=1.48＞1，投資回收期Pt=16.95 年lt;25 年，說明得到的效益超過了實施該農宅所需的成本，投資回報率較好，該農宅具有較高的盈利潛力和較低的風險水平。

3.3.2 環境效益分析 根據《綜合能耗計算通則》GB/T 2589-2020［16］可以得知，相比于傳統供暖模式，附加陽光間節約能耗18 631.69 kW·h，折算成標準煤為2 289.83 kg，折算成原煤3 205.70 kg，減少二氧化碳排放量5 708.56 kg，減少二氧化硫排放量558.49 kg，減少氮氧化物排放量279.25 kg；采用供暖系統后，年節約用電量5 675.18 kW·h，折算成標準煤為697.481 kg，折算成原煤976.46 kg，減少二氧化碳排放量1 738.82 kg，減少二氧化硫排放量170.12 kg，減少氮氧化物排放量85.06 kg。

3.3.3 社會效益分析 減少能源消耗可以減緩氣候變化的影響，有效降低污染物的排放，有助于降低呼吸道疾病的發病率，改善社會整體的健康水平。鼓勵和支持能耗節約措施是一個重要的社會目標，不僅是提高能源利用效率、減少資源消耗、保護生態環境以及維護國家能源安全的科學舉措，更是構建綠色、健康、安全的可持續發展社會的必要之舉。

4 結論

本文旨在研究內蒙古西部近零能耗農宅的熱舒適性與經濟性。通過增設陽光間、優化圍護結構，模擬分析選擇最佳方案，構建太陽能熱水循環子系統與風能供暖系統，分析新建農宅的能耗、室內熱舒適性及經濟性。結論如下：

（1）通過正交實驗法模擬分析，內蒙古西部近零能耗農宅最優方案確定為：采用擠塑聚苯板保溫、建筑朝向正南270°、陽光間進深1.25 m、保溫層厚度120 mm、加氣混凝土砌塊外墻、三層中空玻璃窗、南向窗墻比0.5，極差與方差分析均驗證了此方案的優越性。

（2）新建農宅每年節能18 631.69 kW·h，采暖能耗降低82.68%，減少標煤2 289.83 kg。太陽能與風能供暖系統每年共節約5 675.18 kW·h，減少標煤697.48 kg。

（3）基準建筑冬季最冷月室內平均溫度和PMV 值分別為13.49 ℃和?1.79，新建農宅最冷月室內平均溫度提高了8.72 ℃，平均PMV提高了2.14，室內熱舒適性和穩定性較好。

（4）新建農宅年增量成本為1 518.86 元，年增量效益為2 240.49 元，根據價值工程得到效費比V=1.48，投資回收期為16.95 年，農宅的可行性較高，經濟性良好。

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