劉慶玉，關 琦，張 敏，劉曉飛，李占濤，王永超，郭海榮

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

0 引言

北方地區(qū)建筑冬季室內(nèi)溫度低、 溫度波動幅度大[1]、采暖能耗高[2]，[3]，環(huán)境污染問題嚴重。 為節(jié)約建筑能耗，改善居住環(huán)境，國內(nèi)外學者在建筑節(jié)能優(yōu)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(jié)能優(yōu)化的常用手段[4]，[5]。 祁清華[6]利用 Energy Plus 能耗模擬軟件，對農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進行數(shù)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(jié)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(tǒng)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(nèi)采暖溫度可達20 ℃。 韓興超[8]在傳統(tǒng)太陽能光熱系統(tǒng)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(xù)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(tài)進行優(yōu)化和設計。 本文以遼寧地區(qū)典型農(nóng)村住宅為研究對象，通過正交試驗對農(nóng)村住宅形態(tài)結構及保溫措施進行節(jié)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(jié)能措施對建筑能耗的影響，得出節(jié)能農(nóng)村住宅的最優(yōu)方案。 最后，針對太陽能供暖系統(tǒng)普遍存在的供能不穩(wěn)定、成本高、室內(nèi)溫度低的問題，提出了太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合采暖的建筑供熱方案，以期為北方地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能優(yōu)化設計提供技術支持。

1 農(nóng)村住宅結構模擬優(yōu)化

1.1 建筑結構節(jié)能設計

1.1.1 模型建立與參數(shù)設置

本文選取遼寧省寬甸縣一典型單層獨棟農(nóng)村住宅（以下簡稱農(nóng)宅）建立基礎模型，原農(nóng)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(zhì)平開窗。 建立模型時保留農(nóng)宅原有圍護結構條件及室內(nèi)空間布局。

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

當?shù)厝掌骄鶞囟葹?.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(shù)為 2 326.5 h。 在 DeST-h 軟件中選用寬甸地區(qū)的典型氣象資料作為模擬氣候條件[10]，模擬時間選取當?shù)夭膳冢?1 月 1 日-次年3 月31 日。 為提高居民生活舒適度，節(jié)約能耗，將農(nóng)宅按使用功能進行室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)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(shù)為0.5 h-1；其他室內(nèi)環(huán)境參數(shù)均按農(nóng)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(nóng)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(tǒng)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(nóng)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(shù)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(nóng)宅單位面積累計熱負荷明顯低于a 外窗農(nóng)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(shù)低，可以防止室內(nèi)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(shù)，其他兩種外窗計算方法同上）。 當農(nóng)宅采用a 外窗時，對農(nóng)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(nóng)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(shù)的外窗，農(nóng)宅幾何形態(tài)參數(shù)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(yōu)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(jié)能，故選取指標小的水平組合作為最優(yōu)方案。結果表明：當農(nóng)宅采用a 外窗時，最優(yōu)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(nóng)宅采用保溫性能較好的b 外窗與c 外窗時，最優(yōu)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(nóng)宅采用b 外窗的最優(yōu)方案比其他兩種方案更為經(jīng)濟節(jié)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(yōu)方案北向窗墻比調(diào)整為0.2。

1.2 保溫材料選擇及參數(shù)優(yōu)化

對建筑圍護結構進行保溫以降低建筑能耗，提升室內(nèi)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(nóng)宅為基礎模型，其他參數(shù)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(shù)變化情況如圖2 所示。在所選厚度范圍內(nèi)，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(nóng)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(yōu)化原農(nóng)宅的建筑結構與保溫材料參數(shù)后，得出優(yōu)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(jīng)計算，坡屋頂?shù)跗脚锉乇绕轿蓓攩挝幻娣e節(jié)能約2%。 因此，屋頂保溫形式采用坡屋頂?shù)跗脚锉亍?對完善后的節(jié)能農(nóng)宅最優(yōu)方案進行能耗模擬，農(nóng)宅最優(yōu)方案單位面積累計熱負荷為48.50 kW·h/m2，比原農(nóng)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(qū)，僅靠被動太陽能采暖不能滿足采暖需求，本文在優(yōu)化原農(nóng)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(tǒng)及輔助熱源供熱。圖3 為供暖系統(tǒng)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(lián)連接，儲熱水箱、循環(huán)水泵安裝于設備機房中。室內(nèi)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(tǒng)Fig.3 Solar active heating system

2.1 太陽能集熱器

根據(jù)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(tǒng)集熱器面積，m2；Qh為建筑物耗熱量，W；JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷娣e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(jīng)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(jù) GB 5095-2009《太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范》規(guī)定，短期蓄熱太陽能供熱供暖系統(tǒng)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(nóng)宅采暖所需的全部能耗，儲熱水箱容積為1.54 m3。 根據(jù)集熱器面積與太陽能集熱系統(tǒng)造價曲線[15]，太陽能集熱系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)供應質(zhì)量，應在采暖系統(tǒng)添加輔助熱源。

2.2.1 常規(guī)采暖方式對比

農(nóng)宅常規(guī)采暖方式的技術參數(shù)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(zhì)鍋爐相近。 由于生物質(zhì)儲量豐富，故選用生物質(zhì)鍋爐作為輔助采暖方式。

表4 常規(guī)采暖方式技術參數(shù)對比Table 4 Technical parameters comparison of conventional heating ways

2.2.2 太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)年節(jié)能量分析

根據(jù)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(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)分為4 種采暖方案，不同采暖方案投資金額 隨采暖系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的供熱量和生物質(zhì)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(nèi)，該方案采暖系統(tǒng)運行費用最低，經(jīng)濟性最佳。

供暖系統(tǒng)的年節(jié)能量為

式中：ΔQ 為系統(tǒng)節(jié)能量，MJ；Jt為當?shù)丶療崞鞑晒獗砻婺晏栞椪樟浚琈J/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(nèi)儲存，解決儲熱水箱冬季保溫問題。 經(jīng)計算，該太陽能-生物質(zhì)聯(lián)合供暖方案每年可節(jié)約熱量為11 768.85 MJ，與采用普通燃煤鍋爐的農(nóng)宅相比，CO2年排放量減少了 1.3 t。

3 結論

針對北方地區(qū)農(nóng)宅冬季采暖能耗大、 室內(nèi)溫度低的問題，本文對建筑結構進行優(yōu)化，降低農(nóng)宅熱負荷，并結合太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)用輔助采暖系統(tǒng)為建筑供熱，得出以下結論。

①當農(nóng)宅采用單層玻璃外窗時，對農(nóng)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(tài)>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(nóng)宅熱負荷的影響類似，依次為房屋層高>屋頂形態(tài)>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(nóng)宅的建筑結構和保溫材料參數(shù)最優(yōu)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?shù)跗脚锉?，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(yōu)方案單位面積累計熱負荷為48.50（kW·h）/m2，比原農(nóng)宅降低 38.4%。

③利用太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供熱系統(tǒng)為農(nóng)宅供暖，當太陽能供暖系統(tǒng)的供熱量和生物質(zhì)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(jié)約熱量11 768.85 MJ。