内蒙古西部草原地区典型民居冬季多能耦合供热模式

金国辉,王波

内蒙古西部草原地区典型民居冬季多能耦合供热模式

金国辉1,王波2

1. 内蒙古科技大学土木工程学院, 内蒙古 包头 014010 2. 乌海市审计局, 内蒙古 乌海 016000

内蒙古西部草原民居冬季以传统火炕和土暖气为主要的供热模式，供热效果较差，无法满足热舒适度要求，本文采用Design Builder软件，建立典型草原民居模型，对传统供热模式和多能耦合供热模式下，该地区最冷月1月的室内温度、热舒适度对比模拟分析。采用多能耦合供热模式下室内温度提高24%、最冷月热舒适性由寒冷改善为冷。在该地区民居设计建造中应充分利用太阳能、风能资源，构建多能耦合供热模式，提高室内温度和热舒适性。

草原民居; 供热模式

内蒙古西部草原地区年降水量少、气候干燥、植被覆盖率低、草场沙化现象严重、生态环境脆弱，亟需加强保护。同时该地区冬季寒冷，广大农村牧区由于经济水平和农牧民收入制约，住宅供热方式较为落后，室内温度低、热舒适度差，严重影响农牧民的生活质量和身体健康。以火炕和土暖气为主的传统供热方式每个供热季都消耗大量煤炭和柴草灌木，化石能源大量开采和对草场灌木砍伐会严重破坏当地生态平衡。西部草原地区地势平坦，太阳能风能等可再生资源丰富，将可再生能源和传统化石能源结合，满足草原民居供热能耗需求的同时，逐步降低化石能源在西部地区草原民居能源消耗结构中的比例，对实现能源的可持续利用和绿色发展有着重要意义。

目前在多种能源耦合供热领域的研究取得了一些进展。陈明东等[1]通过对附加阳光间与节能火墙耦合供暖的房屋及相同结构的对比房室内温度及室外温度的监测，研究了寒冷季节室内温度随室外气象条件变化情况；张彦龙[2]计算了采暖期温室的动态负荷，利用太阳能辐射的基础理论知识计算出动态太阳能集热量，根据计算结果，分析太阳能—锅炉联合运行时两者供热量的配比关系；冯革宇等[3]用数值模拟的方法分析当吊炕、火墙、散热器在房间中布局位置不同时对室内热环境产生的影响；张明昭[4]对太阳能－空气源热泵－锅炉供热联合使用技术进行了研究，提出了三者联合运行的技术可行性方案。

综上所述，对多种能源耦合供热领域的研究主要在东部较发达地区，而适用于内蒙古西部草原地区民居的供热模式研究十分缺乏，导致冬季该地区民居供热系统设计不规范、不合理等问题。本研究提出该地区民居太阳能、风能、火炕、散热器多能耦合供热模式，将为今后该地区民居供热系统设计提供一定的参考。

1 调查情况

1.1 调查地域

调查地域位于内蒙古西部的鄂托克旗境内，鄂托克旗南北长209 km，东西宽188 km，总面积20064万km2，草场总面积198.48万hm2，年平均气温为10.403 ℃，最冷月为一月，平均室外干球温度-10.72 ℃，属于热工分区寒冷ⅡB区，多年平均日照时间数为3138.6 h，年平均接受太阳辐射能155.8 kCal/cm2，平均无霜期为122 d；历年平均降水量190 mm，平均蒸发量3000 mm；年平均风速2.9 m/s，瞬间最大风速33 m/s[5]。

研究对鄂托克旗蒙西镇渠畔村、阿山大队、五里墩和棋盘井镇乌呼图嘎查、牧业二组的56户农牧民进行入户调查，重点了解西部草原地区民居的建筑结构、供热模式和居住人员情况。

1.2 建筑结构

被调查地区的早期建筑为土木结构房屋，随着居民生活水平的改善，当地草原民居主房基本结构为砖混结构一层建筑，建筑面积为60~120 m2，净高为2.3~2.8 m，3~5开间，原有的土木结构房屋逐渐作为库房和凉房使用。

1.2.1 墙体和屋顶主房的墙体多用370 mm、240 mm砖墙、400 mm砖包土墙（当地人称为里生外熟墙）部分民居外墙有水泥砂浆抹面。屋面无统一样式，主要有平屋面、单坡屋面和双坡屋面，各类型屋面占比相对均衡，主要结构有硬山搁檩+望板+防水层+挂瓦坡屋面、钢筋混凝土屋面+防水层+保护层平屋面、平改坡加装彩钢顶屋面以及其他类型。

1.2.2 门窗该地区草原民居外窗一般使用单玻木窗、双玻钢窗、双玻塑钢窗，玻璃为普通白光平板玻璃，外窗高度为1.5~1.8 m，宽度为1.5~2.1 m多数窗户密封性和保温性能较差。外门一般采用铁门、木门、外包铁皮木门、少量采用铝合金门、钢质防盗门。

1.3 供热模式

内蒙古西部草原地区的供热模式具有传统的中国北方特色，该地区随着北方外来人口的流入，供热模式也被带入该地区民居的设计当中，火炕、火墙、煤炉、土暖气等成为主要供热模式，不同的家庭依据各自的供热需求选择一种或多种供热模式，并没有统一的标准。经过对56户草原民居的入户调查，各供热模式的使用情况如表1所示。

表1 供热模式调查结果表

调查结果显示，该地区民居冬季供热模式使用户数由高到低供热模式为：连灶火炕、土暖气、煤炉、火墙、电暖气、空调。主要原因是连灶火炕和土暖气既可以满足炊事需求，也可以满足供热需要，使用方便，热辐射值及供热面积大。

1.4 居住人员情况

被调查民居一般居住人员数为3~5人，青壮年多数在城镇打工，平时主要居民为留守老人与留守儿童，文化水平较低，调查方式以询问和现场观察为主，老人与儿童属于身体素质水平较低群体，对室内温度和热舒适性需求高，白天时段成人在外放牧、务农，儿童在学校上学，夜晚时段成人和儿童主要在室内活动。居民主要从事畜牧业和农业，年人均收入9000~12000元，与城镇和东部发达地区农村相比处于较低水平，冬季购买化石能源供热带来的经济压力较大。

2 模型建立与分析

2.1 典型民居选取

根据调研结果，在56户草原民居中筛选出鄂托克旗蒙西镇阿山大队马姓民居作为西部草原地区典型民居进行模拟研究。典型民居主房为一层砖混结构，朝向为南，平改坡彩钢屋顶，坡屋顶留有气窗，内储藏杂物、不住人，室内净高2.8 m，3开间，建筑面积96.12 m2。具体尺寸如图1所示。

图1 典型民居平面图与正立面图

2.2 Design Builder建模

在西部草原地区典型民居的基础上，选用能耗分析软件Design Builder，根据实地测量的该草原民居的结构形式、设计参数尺寸、门窗类型等基本要素，建立典型民居模型并设定模拟参数。

外围护结构（Construction）设定。其围护结构的具体设置及传热系数如表2所示。

表2 外围护结构做法及传热系数

室内人员活动量（Activity）设定。人员活动量分析的目的是为了模拟人员在室内散发的热量（热扰）对建筑能耗的影响。典型民居人员主要的活动空间为客厅和卧室，是供热模式模拟的主要区域。厨房、储藏室、坡屋顶内人员活动少，设置为空房间，不考虑供热情况。根据调查了解，马姓一家冬季室内活动时间如表3所示。

表3 冬季室内活动时间分布

家用电器（Equipment）设置。家用电器在使用中散发热量，也会对室内热环境产生影响，典型民居的家用电器主要有电视机1台、洗衣机1台、冰柜1台、手机若干，消耗电能。电视机每日使用，计算热扰，洗衣机每周使用1次，热扰忽略不计，冰柜主要在夏季使用，冬季处于关闭状态，手机耗电量较低不做考虑。电视机的使用情况如表4所示。

表4 电视机使用情况表

照明（Lighting）设置。典型民居各房间均安装节能灯，客厅安装两盏，其余房间安装一盏，客厅和卧室的灯光开启时间长，开启时段及照明功率见表5所示，其余房间开启时间很短，忽略不计。

表5 照明设备开启情况表

供热设置。典型民居供热模式的主要组成是连炕灶和土暖气，连炕灶的火炕设置在主卧，灶设置在一墙之隔的厨房，通过内墙预留的烟道连接，目的是保持主卧的居住环境和空气的清洁。土暖气由锅炉和散热器组成，以热水为供热媒介，锅炉设置在厨房，主卧、次卧1、2各设置1组8柱铸铁散热器，客厅在南北外窗下各设置1组8柱铸铁散热器。根据现场观察，连炕灶每日中午、晚上各点燃1次，用于炊事。最冷月每次燃烧时间为1 h，炕面温度可升至24 ℃，炕面可维持21 ℃以上5 h[6]，每次燃烧玉米秸秆3 kg，玉米秸秆热值为17746 kJ/kg，连灶炕热效率为45%[7]，根据式1计算，连灶炕热功率为554.56 W；土暖气系统设置，最冷月水暖锅炉每日消耗煤炭9 kg，全天供热，标准煤热值29370 kJ/kg，水暖锅炉一般热效率55%，根据公式1计算，锅炉热功率1862.66 W。

式中：—热功率，W；q—燃料热值，J/kg；m—燃料消耗量，kg；—热效率；t时间，s。

2.3 热环境模拟与分析

经实地调查，内蒙古西部草原地区民居采用分户供热模式，与城镇集中供热模式不同，农牧民依据自身热感觉开启关闭供热系统，并不是严格按照当地指导采暖期供热，为保证准确性，论文选取该地区最冷月1月为典型民居冬季供热模式模拟时期，该时期供热需求大，供热系统全部启用，最能体现供热模式的效果。主要对现有供热模式下民居的室内温度、范格尔预测平均投票值（Fanger Predicted Mean Vote，以下缩写为Fanger PMV）进行模拟输出分析，模拟结果如图2所示。

图2 典型民居热环境模拟结果

模拟结果显示，典型民居日室内干球温度范围为7.99~13.43 ℃，平均温度为11.13 ℃，仅有5 d的温度满足《农村居住建筑节能设计标准》GB/T 50824-2013中农村地区冬季室内较适宜温度13 ℃~16 ℃[8]的要求；Fanger PMV范围为-4.77~-3.14，平均值为-3.96，在Fanger PMV指标中评价为寒冷[9]。由此可见，在现有供热模式下，草原民居的冬季室内温度偏低，热舒适度差，不适宜农牧民健康生活。

3 多能耦合供热模式构建

多能耦合供热模式由阳光间、风电供热系统和节能火炕+散热器系统构成，根据“多能互补、品位耦合、时序匹配、被动优先、主动优化”和“能源品位分级供给、优先使用低品位能源、按时序合理分配能源”的原则配置，达到改善草原民居的热舒适性，降低化石能源供热能耗，减少有害物排放，提高可再生能源利用率的目的。

3.1 阳光间

附加阳光间的得热时间是白天阳光充足时段，开启时间选择白天。阳光间窗墙比设置为0.7，屋顶、外墙设置外窗，考虑防水要求，屋顶外窗不设窗扇。墙体采用现浇混凝土墙，外窗玻璃采用普通中空玻璃（6 mm+13 mm a+6 mm），窗框材质为塑钢（PVC），窗内设置窗帘，冬季窗帘闭合时间为19:00至次日7:00，以减少夜间室内热量流失，起到保温隔热作用，根据阳光间尺寸及窗墙比、门窗样式建立改造后典型民居Design Builder建筑模型，如图3所示。

图3 附加阳光间模型图

3.2 风电供热系统

草原民居使用的风力发电方式为离网供电[10]，即将风力发电机组发出的电能直接供给农牧民，或储存在蓄电池内供无风时使用。风能属于低品位能源，按照本文制定的能源分配原则，风电供热系统应全天启用，优先使用。风电转化端采用1台乃尔牌NE-2500型风电机，额定功率2500 W，最大功率3000 W，启动风速2.5 m/s，安全风速45 m/s，风轮直径4.6 m，塔架高度9 m，叶片数量3片、材质为增强玻璃钢，工作温度为-40 ℃~80 ℃，自动调整迎风角度。电能储存端采用6块普天牌铅酸蓄电池，单块电池容量250 A·h，标准电压12 V；柳晶牌MD250 A 1600 V型整流器1台；欧陆牌JS-3000 VA型逆变器1台，功率3000 W；导线及控制元件若干。电热转化端为3台兴园牌JRQ-15电散热器，功率1000 W，分别设置在热环境较差的主卧、次卧1、2，部分组件如图4所示。

图4 风电供热系统部分组件

图5 火炕+散热器供热系统设计图

3.3 节能型火炕+散热器供热

新系统将草原民居原有供热模式中火炕和土暖气进行结构改造，取消原有用于加热火炕的土灶，将火炕接入重力循环热水供暖系统，组成火炕+散热器联合供热系统，利用水暖锅炉的烟气通过烟道连接加热火炕，在火炕烟气入口处设置挡烟板1，水暖锅炉烟气外排口处设置挡烟板2，火炕烟气出口设置挡烟板3。当打开挡烟板2，关闭挡烟板1、3时，水暖散热器单独供热，当关闭挡烟板2，打开挡烟板1、3水暖散热器与火炕联合供热，如图5所示。该系统既利用锅炉外排的烟气热量，又可以根据室内温度灵活调节供暖模式，达到节能的效果。节能型火炕+散热器作为以高品位能源作为燃料的供热模式，依据原则应在晚间开启，起到对被动式、低品位能源供热的补充。将原有土灶消耗燃料累加在改进后联合供热锅炉中，得到改进后联合供热锅炉的功率为2530.46 W，热效率参考普通家用水暖供热锅炉设置为55%。

3.4 改造后热环境模拟

对多能耦合供热模式下民居的室内温度、Fanger PMV进行模拟输出，模拟结果如图6所示。

图6 改造前后室内热环境对比图

改造后，典型民居日室内干球温度范围为12.32~14.85 ℃，平均温度为13.81 ℃，温度比改造前提高了24%，有27天的温度满足《农村居住建筑节能设计标准》GB/T 50824-2013中农村地区冬季室内较适宜温度13 ℃~26 ℃的要求；Fanger PMV范围为-3.12~-2.47，平均值为-2.75，在Fanger PMV指标中评价为冷，热舒适性得到改善。

4 结论

通过对西部草原地区典型民居冬季供热模式的调研、多能耦合供热模式的构建和数值模拟分析，得出以下结论：

（1）西部草原地区典型民居冬季现有供热模式以火炕、土暖气为主，使用火炕、土暖气民居分别达到73.21%、64.29%；

（2）现有火炕、土暖气供热模式供热效果较差，经Design Builder数值模拟，客厅、卧室温度均达不到民用建筑标准要求；热舒适性无法满足农牧民健康生活；

（3）针对现有供热模式出现的问题，本文构建出西部草原地区民居冬季多能耦合供热模式，为未来该地区民居供热设计提供一定的参考；

（4）通过Design Builder模拟计算，多能耦合供热模式可以使室内温度提高24%，冬季最冷月Fanger PMV热感觉由寒冷提升至冷。在该地区民居设计建造中应充分利用太阳能、风能资源，构建多能耦合供热模式，提高室内温度和热舒适性。

[1] 陈明东,史宇亮.附加阳光间与节能火墙耦合供暖改善农村室内热环境[J].农业工程学报,2011,27(11):232-235

[2] 张彦龙.寒区温室太阳能-锅炉联合供热系统设计及模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007

[3] 冯革宇,姜凯赢,刘博智,等.吊炕、火墙、散热器两种布局下供暖房间热环境数值模拟[J].建筑节能,2009,37(1):33-35

[4] 张明昭.太阳能、空气源热泵、锅炉供暖联合供热的研究与实践[D].石家庄:华北电力大学,2010

[5] 白妙馨,阿柔翰巴图,张树礼.乌海-鄂托克-乌斯太区域环境承载力分析[J].环境与发展,2009,21(2):53-57

[6] 徐策.火墙式火炕热性能实验研究及传热模型的建立[D].大连:大连理工大学,2015

[7] 芦欣.北方农村节能型吊炕的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T50824-2013农村居住建筑 节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013

[9] 赵云兵.寒冷地区农村住宅冬季室内热环境研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013

[10] 宋俊.风能利用[M].北京:机械工业出版社,2014

Multi-energy Coupling Heating Mode of Typical Residential Buildings in Western Inner Mongolia

JIN Guo-hui, WANG Bo

1./,014010,2.016000,

The traditional Kang and older water heating were main heating modes for the residential buildings in the western grassland area of Inner Mongolia in winter, the heating effect was poor and unable to meet the requirements of thermal comfort. In this paper, the Design Builder software is used to establish a typical grassland dwelling model, the indoor temperature and the thermal comfort under the traditional heating mode and the multi-energy coupled heating mode in January in this area are analyzed and compared, the results showed under the multi-energy coupled heating mode, the indoor temperature increases by 24%, and the thermal comfort of the coldest month is improved from severe cold to cold，in the design and construction of residential buildings in this area, we should make full use of solar energy and wind energy resources to build the multi-energy coupling heating mode to improve indoor temperature and thermal comfort.

Prairie residence; heating mode

TU241.4/TU201.5

A

1000-2324(2019)05-0831-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.020

2018-05-30

2018-06-28

国家自然科学基金(51768053、51668051);内蒙古自然科学基金(2016MS0516、2017MS(LH)0532);西部绿色建筑国家重点实验室培育基地开放研究基金(LSKF201803)

金国辉(1965-),男,硕士,教授,主要从事建筑节能与绿色建筑研究.E-mail:15540252138@163.com