張堯天，潘宏剛，梁 鑫，張春利

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)玄科建筑工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，農(nóng)宅的覆蓋面積逐年增加，同時(shí)也提高了對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)環(huán)境的要求。此外，農(nóng)宅面積的增加也帶來(lái)了冬季供暖的區(qū)域逐漸增大，農(nóng)宅能耗逐年增加的問(wèn)題［1］。農(nóng)宅能耗是指為了滿足農(nóng)戶的日常生活所消耗的熱能和電能等［2］。由于農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)水平有限，建造一所農(nóng)宅會(huì)花費(fèi)農(nóng)戶的大部分資金，由于資金不足，可能會(huì)導(dǎo)致建筑材料的品質(zhì)和施工的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，就無(wú)法達(dá)到保溫要求，這極易導(dǎo)致農(nóng)宅的采暖費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用增加，并且還會(huì)產(chǎn)生大量的污染［3］。2010 年，遼寧農(nóng)村房屋的建筑面積已達(dá)到4 068.1 萬(wàn)m2。近年來(lái)，遼寧省農(nóng)村農(nóng)戶的建筑多采用磚混和磚木結(jié)構(gòu)。其中，住房結(jié)構(gòu)為磚混的比例達(dá)到了44%，磚木的比例達(dá)到了48%，鋼筋混凝土的比例僅為8%［4］。

農(nóng)宅的建筑結(jié)構(gòu)與城市房屋的建筑結(jié)構(gòu)不同。農(nóng)宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，導(dǎo)致部分建筑的節(jié)能方法不足，而且農(nóng)宅沒(méi)有大規(guī)模使用空調(diào)等取暖設(shè)備，只能依靠升級(jí)改造來(lái)保證農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能［5］。因此，導(dǎo)致了傳統(tǒng)農(nóng)宅的熱能消耗過(guò)大，不能達(dá)到節(jié)能環(huán)保與農(nóng)宅內(nèi)環(huán)境的要求［6］。所以，有效降低現(xiàn)代農(nóng)宅的建筑能耗具有非常大的應(yīng)用意義。

隨著全球氣候的變化，在夏季的商業(yè)樓、個(gè)人用戶都偏愛(ài)使用制冷設(shè)備，此時(shí)的用電負(fù)荷增高。國(guó)內(nèi)的部分地區(qū)在秋冬季節(jié)減少了此方面的負(fù)荷需求，導(dǎo)致用電量大范圍驟減，也造成了部分發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)了夏季運(yùn)行、冬季備用的現(xiàn)象，降低了發(fā)電機(jī)組的性價(jià)比。電采暖計(jì)劃的推廣和實(shí)施，恰巧彌補(bǔ)了夏季制冷所造成的季節(jié)性負(fù)荷差，有效地減小了冬夏產(chǎn)生的負(fù)荷差值，充分滿足了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特點(diǎn)［7］。韓國(guó)主要采用單戶單獨(dú)供暖方式和多戶集中供暖方式，地炕式供暖是大多數(shù)住戶的選擇。大部分家庭住宅采用住宅單戶單獨(dú)發(fā)電供暖，以使用柴油電機(jī)為主；少量家庭住宅的采暖方式主要利用太陽(yáng)能和風(fēng)力鍋爐［8］。德國(guó)大多數(shù)家庭住宅的供暖方式通過(guò)燃燒家用天然氣或使用燃油，少量家庭住宅的供暖方式則依靠遠(yuǎn)距離能源供熱、用電或者燃燒煤等［9］。

我國(guó)的能源種類繁多，如電能、太陽(yáng)能、天然氣、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿龋?0］，但并不能全部適用于北方農(nóng)村地區(qū)的取暖方式：地?zé)崮苋∨绞叫枰蟹€(wěn)定的地?zé)豳Y源，且打井和鋪設(shè)管網(wǎng)的投資巨大，只適合城鎮(zhèn)或農(nóng)村集中連片式供暖；太陽(yáng)能取暖方式需要配套電加熱或其他取暖設(shè)施，夜晚和陰雨天時(shí)太陽(yáng)能不足，比較適合辦公樓、學(xué)校等只在白天有采暖需求的建筑；生物質(zhì)直燃供暖方式存在煙氣污染物排放量偏高的問(wèn)題，需要配套高效除塵設(shè)施，比較適合以熱電聯(lián)產(chǎn)或鍋爐房的方式向縣城、工商業(yè)、公共服務(wù)設(shè)施或居民小區(qū)供暖；分散電采暖技術(shù)是解決城區(qū)老舊樓供暖的有效手段，在峰谷電價(jià)等政策的鼓勵(lì)下，擴(kuò)大分散電采暖技術(shù)的應(yīng)用區(qū)域，可減少集中供熱燃煤的投入。

1 農(nóng)宅室內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算

1.1 外墻和屋面?zhèn)鳠嵝纬傻臒嶝?fù)荷

墻面和屋頂同時(shí)接收光照時(shí)，與外墻相比，屋頂接收的陽(yáng)光會(huì)更充足，導(dǎo)致屋頂受到的輻射熱量也會(huì)更多。所以，屋頂?shù)木C合溫度更高。此處的熱負(fù)荷可由式（1）計(jì)算：

式中，α為門窗修正系數(shù)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱面積；tn為室內(nèi)計(jì)算溫度；tτ為作用時(shí)刻的室外空氣綜合溫度。

1.2 門窗的熱負(fù)荷

門窗的熱負(fù)荷主要包含兩個(gè)部分：一部分是門窗透光結(jié)構(gòu)的傳熱量，另一部分是太陽(yáng)輻射熱。

門窗的傳熱溫差為式（1）與室內(nèi)墻體或建筑屋頂溫度之比。門和窗的熱惰性比較小，傳熱系數(shù)比較大，因而室內(nèi)熱量傳遞較快。對(duì)于普通門窗的玻璃來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光和3 μm 以下近似的紅外線輻射可以直接透過(guò)玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)，但是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射能卻不能有效地被玻璃阻隔，也就是當(dāng)紫外線直接照射到門窗玻璃上時(shí)，玻璃內(nèi)部會(huì)受到一種占紫外線輻射總量比例很小的長(zhǎng)波紫外線輻射。因此，在計(jì)算門窗之間溫差產(chǎn)生的熱負(fù)荷時(shí)，室外窗的溫度可以直接選擇大氣溫度，可由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，tτ為計(jì)算時(shí)刻的室外空氣溫度；α為窗框修正系數(shù)。

太陽(yáng)輻射熱量可按照式（3）計(jì)算：

式中，SSGD為標(biāo)準(zhǔn)透光材料太陽(yáng)直射輻射得熱量；ID為入射角為i的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；gD為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)直射輻射得熱率；Id為照射到玻璃上的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度；gd為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)散射輻射得熱率；xs為陽(yáng)光實(shí)際照射面積比；SC為全遮陽(yáng)系數(shù)；xf為窗戶有效面積系數(shù)，雙層木窗取0.6。

因此，門窗的透光材料的熱負(fù)荷為

1.3 地面?zhèn)鳠嵝纬傻臒嶝?fù)荷

地面的室外負(fù)荷溫度計(jì)算不將室外熱惰性效應(yīng)納入，室外負(fù)荷溫度取決于空氣溫度，地面?zhèn)鳠嵝纬傻臒嶝?fù)荷為

冷風(fēng)機(jī)的滲透消耗率對(duì)熱量的影響大小不僅與門窗的整體結(jié)構(gòu)和窗口朝向位置有關(guān)，也與室內(nèi)空氣的旋轉(zhuǎn)方向、流動(dòng)速度、室內(nèi)外空氣溫差及建筑本身的進(jìn)風(fēng)通道的氣流狀況等有關(guān)。北方民用建筑集中供暖所采用的調(diào)節(jié)換氣空調(diào)次數(shù)法可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Vn為房間內(nèi)部體積；nk為房間的換氣次數(shù)，如表1 所示；cp為空氣的定壓比熱；ρ為不同室外溫度下空氣的密度；tn為室內(nèi)計(jì)算溫度；tr為計(jì)算時(shí)刻室外溫度。

表1 房間換氣次數(shù) 次/h

與傳統(tǒng)熱水器負(fù)荷正值計(jì)算的方法相同，冷風(fēng)侵入時(shí)所消耗的總熱量是冷風(fēng)外門基礎(chǔ)耗熱量與外門附加率的乘積：

式中，N為外門附加率，如表2 所示；Q1,j,m為外門基本耗熱量。

表2 外門附加率

1.4 煤耗計(jì)算

以供暖面積為60 m2的房間為例，門窗封閉良好，室內(nèi)采暖溫度為18 ℃，建筑體形系數(shù)取0.4，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)取0.5，可知單位采暖面積的理論耗熱量為20 W/m2。綜合考慮門窗部分的耗熱量，實(shí)際建筑的單位面積耗熱量應(yīng)為35 W/m2，則該項(xiàng)目的最大熱負(fù)荷為

式中，F(xiàn)為所需供熱面積；q為供熱熱指標(biāo)。

該項(xiàng)目全年耗熱量為

式中，Qah為全年熱耗量；N為采暖期天數(shù)，N=150；Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷；ti、ta和to.h分別為室內(nèi)溫度、室外平均溫度和室外計(jì)算溫度，ti=18，ta=-5，to.h=-18。

該項(xiàng)目全年耗熱量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為0.6 t。

2 熱舒適性分析

熱舒適性是衡量人體對(duì)熱感覺(jué)的滿意程度。影響人體熱舒適性的因素有很多，如空氣的粘性和濕度、風(fēng)速。國(guó)內(nèi)外很多專家都研究過(guò)熱舒適性的評(píng)價(jià)方式，但是最為典型的人體熱舒適性評(píng)價(jià)體系是Fanger教授提出的PMV-PPD 指標(biāo)［11］。PMV 指數(shù)是表征人體熱反應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，PMV指數(shù)表明群體對(duì)于7個(gè)等級(jí)熱感覺(jué)投票的平均值，如表3所示。

表3 PMV熱感覺(jué)標(biāo)尺

PMV 值代表同一環(huán)境中大多數(shù)人對(duì)冷或熱的平均感覺(jué)，并不能代表所有人的感覺(jué)。Fanger教授后來(lái)又提出PPD 指標(biāo)，該指標(biāo)表示人群對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分比。當(dāng)PMV 值在±0.5 之間，PPD 值小于10%時(shí)，表示該環(huán)境的熱舒適性良好。

PPD值的計(jì)算公式如下：

本文選用PMV-PPD 來(lái)對(duì)比兩種供暖方式的熱舒適性。

3 試驗(yàn)案例

3.1 案例介紹

東北某地農(nóng)村的住宅進(jìn)行“煤改電”改造后，以蓄熱和地?zé)崮ぢ?lián)合供暖方式為研究對(duì)象，對(duì)住宅各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算從而得到年供暖成本。采暖房間分為1#房和2#房，1#房采用碳纖維地?zé)崮す┡?，功率?30 W/根，每根長(zhǎng)度為12.5 m，屋內(nèi)布置6 根線進(jìn)行試驗(yàn)；2#房采用蓄熱器供暖，蓄熱器的功率為3 200 W，尺寸為1 020 mm×670 mm×190 mm，可供熱面積約為33 m2。

1#房的相對(duì)濕度為41%，2#房的相對(duì)濕度為39%，計(jì)算PMV 值和PPD 值。農(nóng)民白天外出勞作，其余時(shí)間在家休息，休息時(shí)人體代謝率相對(duì)較小，且農(nóng)村的冬季比城鎮(zhèn)溫度低一些，所以選擇身穿較厚棉衣且靜止的成年男子為研究對(duì)象。

兩個(gè)房間的PMV、PPD值結(jié)果如表4所示。

表4 兩個(gè)房間的PMV、PPD值

3.2 數(shù)據(jù)分析

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，考慮到供暖設(shè)備和測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定運(yùn)行等因素，試驗(yàn)在系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行15 d 后開始，測(cè)試時(shí)間為2021 年1 月15 日0:00～2021 年1 月23 日0:00。試驗(yàn)期間的室外最低氣溫為-16 ℃，最高溫度為0 ℃，平均氣溫為-10.6 ℃，2 個(gè)房間的室內(nèi)平均溫度分別為20.284 64 ℃和23.588 27 ℃。

選取7 d 的溫度數(shù)據(jù)并制作曲線，如圖1 所示，室外溫度曲線如圖2所示。溫度曲線1為地?zé)崮す┡绞?，溫度曲線2 為蓄熱器供暖方式。蓄熱器供暖采用谷電蓄熱供暖系統(tǒng)，蓄熱時(shí)段為22：00 到次日6：00，8 h 可蓄足全天供暖的熱量。以1 月15 日00：00 到1 月23 日00：00 為例，累計(jì)熱負(fù)荷為25.6 kW·h。低谷時(shí)段的電價(jià)為0.4 元/度，則這期間的電費(fèi)為71.68 元。2#房的面積約為20 m2，則試驗(yàn)周采暖期的運(yùn)行費(fèi)用約為3.5元/m2。

圖1 室內(nèi)溫度曲線

圖2 一月份室外溫度曲線

采用碳晶電熱膜布置方式時(shí)，每組線的功率為230 W，房間內(nèi)布置6 組線，若滿負(fù)荷運(yùn)行，則每天的用電價(jià)為108.964 8 元。1#房的面積約為20 m2，則試驗(yàn)周采暖期的運(yùn)行費(fèi)用約為5.45元/m2。

由上述煤耗計(jì)算可知，若核定采暖天數(shù)為150 d，供暖面積為60 m2，煤耗為0.6 t，則供暖采用的無(wú)煙煤價(jià)格為1 771.4 元/t，折算后為16.5 元，即試驗(yàn)周采暖期的運(yùn)行費(fèi)用約為16.5元/m2。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：1#房和2#房的實(shí)際溫度均符合房屋供暖要求，且兩種供熱方式均比傳統(tǒng)燃煤供暖的價(jià)格低。由于蓄熱供暖方式采用的是谷電，所以在價(jià)格方面比電熱膜供暖方式更具有優(yōu)勢(shì)。但蓄熱供暖設(shè)備的前期投入資金較大，所以二者的成本在總體上區(qū)別不大，但二者均比燃煤供暖價(jià)格低，且達(dá)到了減排的作用。由表4 可知，改造后的房間熱舒適性適中，至少有92%的用戶對(duì)該環(huán)境感覺(jué)滿意，說(shuō)明該改造方式可行。

4 結(jié)論

1）由于北方地區(qū)的農(nóng)宅地處偏遠(yuǎn)，很難通過(guò)熱網(wǎng)集中供暖的方式采暖，多數(shù)采用傳統(tǒng)燃煤的方式采暖。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)燃煤供暖方式、谷電蓄熱供暖方式和碳晶電熱膜供暖方式可知：傳統(tǒng)燃煤供暖方式不僅采暖效率低，供暖成本高，且污染環(huán)境。

2）谷電蓄熱供暖僅在谷電時(shí)段運(yùn)行，從晚間21：00 到次日的4：00，碳晶地?zé)崮t為滿負(fù)荷運(yùn)行。將兩種供暖方式錯(cuò)峰運(yùn)行，并考慮農(nóng)宅“煤改電”方式在節(jié)約成本及節(jié)能減排上的貢獻(xiàn)，這對(duì)于北方農(nóng)宅冬季采暖是非常好的方法。

3）通過(guò)PMV-PPD 指標(biāo)分析兩個(gè)房間的熱舒適度可知：北方地區(qū)農(nóng)宅經(jīng)過(guò)“煤改電”之后，大部分人對(duì)房間的熱感覺(jué)適中，對(duì)該環(huán)境滿意。