我國北方新型城鎮清潔供暖及舒適度研究

張堯天，潘宏剛，梁 鑫，張春利

（1.沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽玄科建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

隨著我國社會經濟的不斷進步，農宅的覆蓋面積逐年增加，同時也提高了對農宅室內環境的要求。此外，農宅面積的增加也帶來了冬季供暖的區域逐漸增大，農宅能耗逐年增加的問題［1］。農宅能耗是指為了滿足農戶的日常生活所消耗的熱能和電能等［2］。由于農戶的經濟水平有限，建造一所農宅會花費農戶的大部分資金，由于資金不足，可能會導致建筑材料的品質和施工的質量不達標，就無法達到保溫要求，這極易導致農宅的采暖費用和維護費用增加，并且還會產生大量的污染［3］。2010 年，遼寧農村房屋的建筑面積已達到4 068.1 萬m2。近年來，遼寧省農村農戶的建筑多采用磚混和磚木結構。其中，住房結構為磚混的比例達到了44%，磚木的比例達到了48%，鋼筋混凝土的比例僅為8%［4］。

農宅的建筑結構與城市房屋的建筑結構不同。農宅建筑的圍護結構比較簡單，導致部分建筑的節能方法不足，而且農宅沒有大規模使用空調等取暖設備，只能依靠升級改造來保證農宅圍護結構的保溫性能［5］。因此，導致了傳統農宅的熱能消耗過大，不能達到節能環保與農宅內環境的要求［6］。所以，有效降低現代農宅的建筑能耗具有非常大的應用意義。

隨著全球氣候的變化，在夏季的商業樓、個人用戶都偏愛使用制冷設備，此時的用電負荷增高。國內的部分地區在秋冬季節減少了此方面的負荷需求，導致用電量大范圍驟減，也造成了部分發電機組出現了夏季運行、冬季備用的現象，降低了發電機組的性價比。電采暖計劃的推廣和實施，恰巧彌補了夏季制冷所造成的季節性負荷差，有效地減小了冬夏產生的負荷差值，充分滿足了電力系統的經濟運行特點［7］。韓國主要采用單戶單獨供暖方式和多戶集中供暖方式，地炕式供暖是大多數住戶的選擇。大部分家庭住宅采用住宅單戶單獨發電供暖，以使用柴油電機為主；少量家庭住宅的采暖方式主要利用太陽能和風力鍋爐［8］。德國大多數家庭住宅的供暖方式通過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距離能源供熱、用電或者燃燒煤等［9］。

我國的能源種類繁多，如電能、太陽能、天然氣、生物質能和地熱能等［10］，但并不能全部適用于北方農村地區的取暖方式：地熱能取暖方式需要有穩定的地熱資源，且打井和鋪設管網的投資巨大，只適合城鎮或農村集中連片式供暖；太陽能取暖方式需要配套電加熱或其他取暖設施，夜晚和陰雨天時太陽能不足，比較適合辦公樓、學校等只在白天有采暖需求的建筑；生物質直燃供暖方式存在煙氣污染物排放量偏高的問題，需要配套高效除塵設施，比較適合以熱電聯產或鍋爐房的方式向縣城、工商業、公共服務設施或居民小區供暖；分散電采暖技術是解決城區老舊樓供暖的有效手段，在峰谷電價等政策的鼓勵下，擴大分散電采暖技術的應用區域，可減少集中供熱燃煤的投入。

1 農宅室內熱負荷計算

1.1 外墻和屋面傳熱形成的熱負荷

墻面和屋頂同時接收光照時，與外墻相比，屋頂接收的陽光會更充足，導致屋頂受到的輻射熱量也會更多。所以，屋頂的綜合溫度更高。此處的熱負荷可由式（1）計算：

式中，α為門窗修正系數；F為圍護結構的散熱面積；tn為室內計算溫度；tτ為作用時刻的室外空氣綜合溫度。

1.2 門窗的熱負荷

門窗的熱負荷主要包含兩個部分：一部分是門窗透光結構的傳熱量，另一部分是太陽輻射熱。

門窗的傳熱溫差為式（1）與室內墻體或建筑屋頂溫度之比。門和窗的熱惰性比較小，傳熱系數比較大，因而室內熱量傳遞較快。對于普通門窗的玻璃來說，可見光和3 μm 以下近似的紅外線輻射可以直接透過玻璃窗進入室內，但是波長較長的輻射能卻不能有效地被玻璃阻隔，也就是當紫外線直接照射到門窗玻璃上時，玻璃內部會受到一種占紫外線輻射總量比例很小的長波紫外線輻射。因此，在計算門窗之間溫差產生的熱負荷時，室外窗的溫度可以直接選擇大氣溫度，可由式（2）進行計算：

式中，tτ為計算時刻的室外空氣溫度；α為窗框修正系數。

太陽輻射熱量可按照式（3）計算：

式中，SSGD為標準透光材料太陽直射輻射得熱量；ID為入射角為i的太陽輻射強度；gD為標準太陽直射輻射得熱率；Id為照射到玻璃上的太陽散射輻射強度；gd為標準太陽散射輻射得熱率；xs為陽光實際照射面積比；SC為全遮陽系數；xf為窗戶有效面積系數，雙層木窗取0.6。

因此，門窗的透光材料的熱負荷為

1.3 地面傳熱形成的熱負荷

地面的室外負荷溫度計算不將室外熱惰性效應納入，室外負荷溫度取決于空氣溫度，地面傳熱形成的熱負荷為

冷風機的滲透消耗率對熱量的影響大小不僅與門窗的整體結構和窗口朝向位置有關，也與室內空氣的旋轉方向、流動速度、室內外空氣溫差及建筑本身的進風通道的氣流狀況等有關。北方民用建筑集中供暖所采用的調節換氣空調次數法可由下式進行計算：

式中，Vn為房間內部體積；nk為房間的換氣次數，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為室內計算溫度；tr為計算時刻室外溫度。

表1 房間換氣次數 次/h

與傳統熱水器負荷正值計算的方法相同，冷風侵入時所消耗的總熱量是冷風外門基礎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 煤耗計算

以供暖面積為60 m2的房間為例，門窗封閉良好，室內采暖溫度為18 ℃，建筑體形系數取0.4，圍護結構的平均傳熱系數取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，實際建筑的單位面積耗熱量應為35 W/m2，則該項目的最大熱負荷為

式中，F為所需供熱面積；q為供熱熱指標。

該項目全年耗熱量為

式中，Qah為全年熱耗量；N為采暖期天數，N=150；Qh為采暖設計熱負荷；ti、ta和to.h分別為室內溫度、室外平均溫度和室外計算溫度，ti=18，ta=-5，to.h=-18。

該項目全年耗熱量折合成標準煤為0.6 t。

2 熱舒適性分析

熱舒適性是衡量人體對熱感覺的滿意程度。影響人體熱舒適性的因素有很多，如空氣的粘性和濕度、風速。國內外很多專家都研究過熱舒適性的評價方式，但是最為典型的人體熱舒適性評價體系是Fanger教授提出的PMV-PPD 指標［11］。PMV 指數是表征人體熱反應的評價指標，PMV指數表明群體對于7個等級熱感覺投票的平均值，如表3所示。

表3 PMV熱感覺標尺

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

PPD值的計算公式如下：

本文選用PMV-PPD 來對比兩種供暖方式的熱舒適性。

3 試驗案例

3.1 案例介紹

東北某地農村的住宅進行“煤改電”改造后，以蓄熱和地熱膜聯合供暖方式為研究對象，對住宅各項數據進行計算從而得到年供暖成本。采暖房間分為1#房和2#房，1#房采用碳纖維地熱膜供暖，功率為230 W/根，每根長度為12.5 m，屋內布置6 根線進行試驗；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#房的相對濕度為41%，2#房的相對濕度為39%，計算PMV 值和PPD 值。農民白天外出勞作，其余時間在家休息，休息時人體代謝率相對較小，且農村的冬季比城鎮溫度低一些，所以選擇身穿較厚棉衣且靜止的成年男子為研究對象。

兩個房間的PMV、PPD值結果如表4所示。

表4 兩個房間的PMV、PPD值

3.2 數據分析

為了保證試驗數據的可靠性，考慮到供暖設備和測量儀器穩定運行等因素，試驗在系統連續正常運行15 d 后開始，測試時間為2021 年1 月15 日0:00～2021 年1 月23 日0:00。試驗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 個房間的室內平均溫度分別為20.284 64 ℃和23.588 27 ℃。

選取7 d 的溫度數據并制作曲線，如圖1 所示，室外溫度曲線如圖2所示。溫度曲線1為地熱膜供暖方式，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，蓄熱時段為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，累計熱負荷為25.6 kW·h。低谷時段的電價為0.4 元/度，則這期間的電費為71.68 元。2#房的面積約為20 m2，則試驗周采暖期的運行費用約為3.5元/m2。

圖1 室內溫度曲線

圖2 一月份室外溫度曲線

采用碳晶電熱膜布置方式時，每組線的功率為230 W，房間內布置6 組線，若滿負荷運行，則每天的用電價為108.964 8 元。1#房的面積約為20 m2，則試驗周采暖期的運行費用約為5.45元/m2。

由上述煤耗計算可知，若核定采暖天數為150 d，供暖面積為60 m2，煤耗為0.6 t，則供暖采用的無煙煤價格為1 771.4 元/t，折算后為16.5 元，即試驗周采暖期的運行費用約為16.5元/m2。

根據上述計算結果可以發現：1#房和2#房的實際溫度均符合房屋供暖要求，且兩種供熱方式均比傳統燃煤供暖的價格低。由于蓄熱供暖方式采用的是谷電，所以在價格方面比電熱膜供暖方式更具有優勢。但蓄熱供暖設備的前期投入資金較大，所以二者的成本在總體上區別不大，但二者均比燃煤供暖價格低，且達到了減排的作用。由表4 可知，改造后的房間熱舒適性適中，至少有92%的用戶對該環境感覺滿意，說明該改造方式可行。

4 結論

1）由于北方地區的農宅地處偏遠，很難通過熱網集中供暖的方式采暖，多數采用傳統燃煤的方式采暖。通過對比傳統燃煤供暖方式、谷電蓄熱供暖方式和碳晶電熱膜供暖方式可知：傳統燃煤供暖方式不僅采暖效率低，供暖成本高，且污染環境。

2）谷電蓄熱供暖僅在谷電時段運行，從晚間21：00 到次日的4：00，碳晶地熱膜則為滿負荷運行。將兩種供暖方式錯峰運行，并考慮農宅“煤改電”方式在節約成本及節能減排上的貢獻，這對于北方農宅冬季采暖是非常好的方法。

3）通過PMV-PPD 指標分析兩個房間的熱舒適度可知：北方地區農宅經過“煤改電”之后，大部分人對房間的熱感覺適中，對該環境滿意。