(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

在我國(guó)城鎮(zhèn)化背景下和新農(nóng)村建設(shè)中，廣大農(nóng)村人民的生活質(zhì)量成為了小康社會(huì)建設(shè)的重要議題[1-2]，隨著生活水平的日益富足，農(nóng)村居民對(duì)住宅的熱舒適性要求也越來(lái)越高。尤其在我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)，這里冬季尤其漫長(zhǎng)且寒冷，嚴(yán)寒氣候?qū)е铝瞬膳瘯r(shí)間長(zhǎng)、采暖能耗大，農(nóng)村住宅室內(nèi)溫度每提高1℃采暖能耗都會(huì)成倍地增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅采暖能耗占總能耗的60%以上，且與氣候條件相近的發(fā)達(dá)國(guó)家相比,這一數(shù)據(jù)約是發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)倍[3]。長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)村地區(qū)特別是嚴(yán)寒地區(qū)的廣大農(nóng)村，農(nóng)村住宅仍使用火炕、火墻和火爐等分散式落后的采暖方式,能量利用率低，熱效率只15%左右[4]，采暖能耗大幅增加。燃料以煤炭等不可再生能源為主，冬季采暖時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳、二氧化硫及顆粒物，加劇了冬季霧霾的肆虐，對(duì)區(qū)域建筑節(jié)能與環(huán)保都是極大的挑戰(zhàn)。

我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況，嚴(yán)寒地區(qū)的太陽(yáng)輻射量相當(dāng)于170～200 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量[5]，且與煤炭、石油等常規(guī)化石燃料相比，太陽(yáng)能具有普遍、清潔、長(zhǎng)久、量大的優(yōu)點(diǎn)[6]，節(jié)能環(huán)保潛力十分巨大。將建筑物與太陽(yáng)能結(jié)合起來(lái)的被動(dòng)式太陽(yáng)房在極大程度上解決了太陽(yáng)能豐富地區(qū)的采暖需求[7]，在農(nóng)村住宅外附加太陽(yáng)房是被動(dòng)的對(duì)太陽(yáng)能的獲取與利用，這樣就可以以空氣作為媒介，通過(guò)熱空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間，使室內(nèi)溫度升高，熱舒適性增加[8]，同時(shí)解決了分時(shí)、按需供暖導(dǎo)致的清晨溫度迅速下降的問(wèn)題，晝夜溫度波動(dòng)減小。且建筑外附加太陽(yáng)房使用壽命長(zhǎng)，保溫效果好，在施工中不增加建造費(fèi)用，在實(shí)際使用過(guò)程中不增加維護(hù)費(fèi)用，所以在全國(guó)各地，尤其在追求低技術(shù)建筑節(jié)能的嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅中，都有普遍的應(yīng)用。

迄今為止，我國(guó)對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)房的推廣和研究從未停止過(guò)，很多地區(qū)都已經(jīng)陸續(xù)啟動(dòng)了對(duì)既有建筑附加太陽(yáng)房的節(jié)能研究。張國(guó)艷[9]等通過(guò)軟件模擬計(jì)算內(nèi)蒙地區(qū)某公寓的被動(dòng)式太陽(yáng)房改造前后的能耗，結(jié)果表明在北方地區(qū)附加太陽(yáng)房節(jié)能效果顯著，附加太陽(yáng)房?jī)H需15.93 W/m2的熱量就能滿(mǎn)足房間的采暖需求；鄧元媛[10]等對(duì)西藏偏遠(yuǎn)縣城樓房進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造，保溫性能比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高20%后，發(fā)現(xiàn)使用直接受益式太陽(yáng)房具有良好的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益，能耗及運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約50%以上，僅需2.4年就可以回收成本；李金平[11]等結(jié)合甘南藏區(qū)民居特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能主被動(dòng)聯(lián)合采暖系統(tǒng)很好滿(mǎn)足了建筑采暖需求，且采暖季節(jié)省標(biāo)煤4.3 t，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性。陳明東[12]等對(duì)附加太陽(yáng)房的房間及對(duì)比房的監(jiān)測(cè)分析，證明在無(wú)室內(nèi)輔助熱源時(shí)附加太陽(yáng)房后平均空氣溫度高3.8℃，最高溫差可達(dá)7.2℃；王選[13]等以青海省藏區(qū)農(nóng)牧民住宅為對(duì)象，模擬研究了室內(nèi)逐時(shí)溫度變化情況，文章指出建筑外附加太陽(yáng)房的效果更好且太陽(yáng)房含集熱蓄熱墻式比直接受益式采暖期室內(nèi)空氣最低溫度高1.7℃，比附加陽(yáng)光間式高3℃。

前人對(duì)太陽(yáng)房技術(shù)有較為詳細(xì)的研究，但針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽(yáng)房的節(jié)能效果研究較少，實(shí)際上被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)在冬季采暖能耗大、經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、環(huán)境污染嚴(yán)重的嚴(yán)寒地區(qū)發(fā)展度更為迅速，在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房技術(shù)的研究及普及都具有十分重要的意義[14]。所以本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)，以嚴(yán)寒地區(qū)某處代表性農(nóng)宅為例，對(duì)附加太陽(yáng)房前后的采暖能耗情況進(jìn)行對(duì)比分析，研究太陽(yáng)房的節(jié)能效果，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房的研究和工程應(yīng)用推廣提供理論支持。

1 方法和參數(shù)

為研究嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽(yáng)房對(duì)室內(nèi)采暖能耗的影響，本文基于EnergyPlus并使用三維建模工具Sketchup和Openstudio插件進(jìn)行聯(lián)合建模。

1.1 建筑參數(shù)

如圖1所示，該代表性農(nóng)村住宅建筑位于嚴(yán)寒氣候某地區(qū)。平面如圖2(左)所示，是傳統(tǒng)“老三間”式住宅，即中間為入口處的門(mén)廳，內(nèi)有灶臺(tái)使門(mén)廳兼具廚房的功能，門(mén)廳兩側(cè)為東西兩個(gè)臥室，臥室北側(cè)有火炕，臥室承載了日常起居會(huì)客的主要功能。該建筑為平屋頂、磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積95 m2、層高3.2 m、長(zhǎng)12.6 m、寬7.6 m，南北向各開(kāi)啟三扇長(zhǎng)窗，窗臺(tái)高度0.95 m且窗高1.45 m，北側(cè)窗相比于南側(cè)窗略小，均為鋁合金框中空玻璃窗。

如圖2(右)所示緊靠在農(nóng)村住宅主體的南側(cè)外附加了面闊和層高與其相同，建筑進(jìn)深為1.5 m的太陽(yáng)房，太陽(yáng)房的陽(yáng)面(南向)為大面積鋁合金框中空玻璃窗。農(nóng)村住宅及太陽(yáng)房的建筑構(gòu)造和材料參數(shù)如表1所示。

表1建筑構(gòu)造參數(shù)

構(gòu)造傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1熱惰性指標(biāo)外墻外保溫黏土磚墻0.5455.939內(nèi)墻黏土磚墻0.4211.536屋頂聚氨酯保溫屋面0.7131.149地面重砂漿黏土N/A2.853窗中空玻璃窗1.8N/A

如圖3所示在軟件中建立原農(nóng)村住宅(左)和附加太陽(yáng)房的農(nóng)村住宅(右)的三維模型。

1.2 氣象參數(shù)

氣象參數(shù)選用了安達(dá)市氣象數(shù)據(jù)，安達(dá)市地處黑龍江省西南部松嫩平原，該地區(qū)氣候特點(diǎn)是：冬季寒冷有雪，春秋季風(fēng)多有雨；采暖期時(shí)間長(zhǎng)(10月18日至次年4月5日)，共約6個(gè)月；太陽(yáng)輻射量大，日照豐富。在采暖期內(nèi)室外干球溫度最低可達(dá)到-28℃，平均約在-9.1℃，太陽(yáng)輻射量平均也可達(dá)到150 W/m2。根據(jù)EnergyPlus軟件自帶天氣數(shù)據(jù)庫(kù)整理整個(gè)采暖季的室外逐時(shí)干球溫度和太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)如圖4所示。

1.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度

農(nóng)村住宅冬季的采暖方式主要是門(mén)廳灶臺(tái)和室內(nèi)火炕，兩種方式都需要大量燃燒薪柴及煤炭，采暖方式落后且能源利用效率不高。一般農(nóng)村住宅室內(nèi)分為早中晚三個(gè)時(shí)段按時(shí)按需采暖，通常在灶臺(tái)做飯時(shí)間接加熱火炕，并非24 h不間斷烘暖。由于供暖方式和供暖時(shí)段的限制，住宅內(nèi)供暖溫度相對(duì)于城市供暖較低，根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村住房節(jié)能技術(shù)導(dǎo)則》，農(nóng)村住房主要房間冬季采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度為14℃到18℃，為嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)舒適的溫度。

由于農(nóng)民日常起居和生活習(xí)慣與城市有較大區(qū)別，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用窠?jīng)濟(jì)狀況、日常習(xí)慣及室內(nèi)熱舒適性要求，本文選取的室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為全天24 h 14℃、16℃、18℃、20℃四組進(jìn)行研究，即研究模擬滿(mǎn)足門(mén)廳、東西臥室冬季適宜溫度所需要的能耗情況。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證該模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文主要研究對(duì)象為無(wú)主動(dòng)采暖系統(tǒng)的太陽(yáng)房，所以根據(jù)周文倩等[15]給出的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。該建筑為位于濟(jì)南市的二層別墅，室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)為除車(chē)庫(kù)外各房間冬季溫度為20℃，夏季為26℃，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)熱擾及作息安排等參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。對(duì)該建筑全年能耗進(jìn)行對(duì)比分析。

從表2可以看出，本文模擬結(jié)果要略高于文獻(xiàn)中的模擬結(jié)果，偏差在2.3%，在誤差允許的范圍內(nèi)，EnergyPlus用于計(jì)算室內(nèi)能耗的模擬結(jié)果相近，模型準(zhǔn)確可信。因此可以利用EnergyPlus對(duì)室內(nèi)采暖能耗進(jìn)行模擬分析。

表2總能耗模擬結(jié)果

本文模擬結(jié)果文獻(xiàn)模擬結(jié)果偏差/[%]總能耗/kW·h11 098.0810 848.56單位面積能耗/kW·h·m-249.0747.972.3單位采暖面積能耗/kW·h·m-254.5453.31

3 計(jì)算結(jié)果和分析

本文使用EnergyPlus軟件對(duì)原農(nóng)村住宅以及外附加太陽(yáng)房的農(nóng)村住宅冬季采暖能耗進(jìn)行模擬分析。分為在不同室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度(14℃、16℃、18℃、20℃)下的最冷日(1月21日)的逐時(shí)能耗、最冷月(1月)的逐日能耗以及采暖期(10月18日至次年4月5日)的逐月能耗及總能耗，比較分析其節(jié)能效果。

3.1 太陽(yáng)房溫度

如圖5所示為最冷日(1月21日)太陽(yáng)房?jī)?nèi)溫度隨室外溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況，室外氣象數(shù)據(jù)同樣根據(jù)EnergyPlus自帶EPW氣象文件整理出來(lái)，該日室外氣候特點(diǎn)為溫度低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)但波動(dòng)大、時(shí)間短。當(dāng)日室外溫度在-24.3～-13.9℃之間，16時(shí)的室外溫度達(dá)到峰值，后逐漸降低；室外太陽(yáng)輻射時(shí)間為7時(shí)至18時(shí)，14時(shí)達(dá)到太陽(yáng)輻射峰值512 W/m2，其中太陽(yáng)輻射量于12時(shí)降低為33.3 W/m2，由于室外陰天的原因該時(shí)刻室外輻射量極低，但隨后升高。

由于太陽(yáng)房?jī)?nèi)并無(wú)供暖，內(nèi)部溫度大多數(shù)時(shí)間比室內(nèi)設(shè)定的采暖設(shè)計(jì)溫度略低，且晝夜溫度波動(dòng)大，溫度變化范圍在1.5～15.5℃。如圖5所示，太陽(yáng)房?jī)?nèi)溫度隨著室外溫度和太陽(yáng)輻射量的變化而波動(dòng)，在12時(shí)隨著室外太陽(yáng)輻射量的減少而明顯降低，且在14時(shí)隨太陽(yáng)輻射值達(dá)到峰值而達(dá)到溫度最高值，在夜晚太陽(yáng)輻射為0 W/m2時(shí)，太陽(yáng)房?jī)?nèi)溫度隨室外溫度降低而明顯降低。

3.2 采暖能耗

圖6為最冷日(1月21日)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房前后逐時(shí)采暖能耗，圖7為該日總采暖能耗。由圖可知最冷日農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房后逐時(shí)采暖能耗均有大幅度降低，時(shí)刻能耗差最大為1.8 kWh，最冷日總能耗差最大為16.2 kWh，節(jié)能率最大達(dá)到22.57%，節(jié)能效果顯著。

在不同室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度的情況下節(jié)能效果也有所差別，隨著采暖設(shè)計(jì)溫度提高，采暖能耗基數(shù)變大，附加太陽(yáng)房前后采暖能耗差值越大；采暖能耗波動(dòng)程度降低，晝夜溫差減小。不同采暖設(shè)計(jì)溫度下逐時(shí)采暖能耗均隨著室外溫度和太陽(yáng)輻射度的升高逐漸降低，并在14時(shí)，室外太陽(yáng)輻射量最大且太陽(yáng)房溫度最高時(shí)達(dá)到采暖能耗最小值。室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為14℃和16℃時(shí)，逐時(shí)能耗分別平均降低0.16 kWh和0.38 kWh，但此兩種室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下的14時(shí)，附加太陽(yáng)房后的能耗比原無(wú)太陽(yáng)房住宅的能耗略高，這是由于在室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度略低和室外太陽(yáng)輻射量充足的情況下，太陽(yáng)房的溫度作用略有下降，大面積的玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)同樣帶來(lái)大量的熱量散失。室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為18℃和20℃時(shí)，逐時(shí)能耗分別平均降低0.58 kWh和1.19 kWh，在此兩種內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下，相較于前兩種設(shè)計(jì)采暖溫度，能耗基數(shù)變大，能耗降低量增加，節(jié)能效果提升，18℃時(shí)日節(jié)能率最大達(dá)到22.57%。

圖8為最冷月(1月)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房前后逐時(shí)采暖能耗，圖9為該月總采暖能耗。由圖可知在最冷日農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房后逐時(shí)采暖能耗均有大幅度降低，采暖能耗隨圖4所示的室外溫度及太陽(yáng)輻射量波動(dòng)，其中日采暖能耗最高可降低20.1 kWh，日節(jié)能率隨著采暖設(shè)計(jì)溫度的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，最高達(dá)22.71%。

不同采暖設(shè)計(jì)溫度時(shí)，節(jié)能效果也不同。室內(nèi)溫度14℃時(shí)，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到16.13%，但于1月13日附加太陽(yáng)房采暖能耗略大于原住宅采暖能耗，這是由于該日室外平均溫度為-10.2℃但太陽(yáng)輻射量為64.9 W/m2的較低值，太陽(yáng)房使用效果不佳；室內(nèi)溫度16℃時(shí)，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到20.07%；室內(nèi)溫度18℃時(shí)，日最大節(jié)能率于1月15日可以達(dá)到22.71%；室內(nèi)溫度20℃時(shí)，日最大節(jié)能率于1月18日可以達(dá)到19.19%。此三種采暖設(shè)計(jì)溫度下，能耗基數(shù)變大但節(jié)能效果提升。

圖10為采暖期農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房前后逐月采暖能耗。由圖可知在整個(gè)采暖期農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房后逐時(shí)采暖能耗均有大幅度降低，且均在最冷月(1月)降低量最多，在1月前后逐步降低。月采暖能耗最高可降低477.59 kWh，月節(jié)能率最高為27.04%。

不同采暖設(shè)計(jì)溫度時(shí)，節(jié)能效果也不同。室內(nèi)溫度14℃時(shí)，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到12.65%；室內(nèi)溫度16℃時(shí)，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到20.07%；在此兩種室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下，由于室內(nèi)所需溫度較低，四月和十月不需要供暖，采暖能耗為0 kWh。室內(nèi)溫度18℃時(shí)，月最大節(jié)能率于3月可以達(dá)到27.04%；室內(nèi)溫度20℃時(shí)，月最大節(jié)能率于2月達(dá)到22.57%。在此兩種室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下，四月和十月也需少量采暖能耗，且其余各月能耗基數(shù)變大但節(jié)能效果提升。

圖11為農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房前后采暖期的總能耗，由圖可知，室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度每升高2℃,采暖能耗呈1.4～2.7倍增長(zhǎng)，采暖設(shè)計(jì)溫度為20℃的采暖能耗為14℃的6.7倍。

室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為14℃時(shí)，附加太陽(yáng)房可以減少總采暖能耗194.35 kWh，節(jié)能率為10.73%；室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為16℃時(shí)，附加太陽(yáng)房可以減少總采暖能耗846.48 kWh，節(jié)能率為17.36%；室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為18℃時(shí)，附加太陽(yáng)房可以減少總采暖能耗1 992.60 kWh，節(jié)能率為22.73%；室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為20℃時(shí)，附加太陽(yáng)房可以減少總采暖能耗2 340.92 kWh，節(jié)能率為19.42%。室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為14℃、16℃、18℃時(shí)，附加太陽(yáng)房均有很好的效果，且18℃時(shí)節(jié)能率最高，節(jié)能效果最佳；當(dāng)室內(nèi)采暖溫度達(dá)到20℃時(shí)，采暖能耗急劇增加，節(jié)能率降低。

4 結(jié)論

本文以嚴(yán)寒氣候某地區(qū)的一處代表性農(nóng)村住宅為例，基于EnergyPlus模擬研究了該農(nóng)村住宅室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度為14℃、16℃、18℃和20℃四種情況下，附加太陽(yáng)房前后的最冷日、最冷月、采暖期的采暖能耗情況，通過(guò)對(duì)能耗模擬結(jié)果的對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅外附加太陽(yáng)房可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)溫度并使夜晚室內(nèi)溫度波動(dòng)程度變小，晝夜溫差減小，有效提高了室內(nèi)舒適度。

(2)嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房后有效降低建筑采暖能耗，采暖期總節(jié)能率最高達(dá)22.73%，經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益均十分明顯。

(3)在不同室內(nèi)采暖溫度下采暖能耗的降低效果不同，節(jié)能效率也不同。室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度每升高2℃，總能耗呈1.4～2.7倍增長(zhǎng)，采暖設(shè)計(jì)溫度為20℃的采暖能耗為14℃的6.7倍。當(dāng)采暖設(shè)計(jì)溫度為18℃時(shí)農(nóng)村住宅附加太陽(yáng)房的節(jié)能效率最高。