封厦处理对寒冷地区农村住宅供暖需求影响

王典鹏 刘猛* 徐文璐 何昱洁

1 重庆大学土木工程学院

2 重庆大学绿色建筑与人居环境营造国际合作联合实验室

3 国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心

0 引言

探究寒冷地区农村住宅在实际应用条件下的供暖需求是推进清洁供暖改造的重要工作，而围护结构热工性能对供暖需求的影响尤其明显[1-2]。相比城市，寒冷地区农宅围护结构的热工性能要求更低[3-4]，因此，无法满足城市住宅要求的构造做法可能具备在农村推广的潜力，比如：封厦处理（附加阳光间），即在入户门外墙与外界空间之间增加玻璃幕墙缓冲空间。已有研究关注封厦处理在不同气候情况下节能潜力[5-6]，阳光间玻璃类型、玻璃数量、填充气体类型和气体层厚度对封厦节能效果的影响[7]，封厦处理与相变材料、机械通风系统等结合的节能效益[8-9]等等。上述研究多默认供暖设备不间断运行，实际上“部分时间、部分空间”的间歇运行工况较为常见[10]。

综上所述，现有研究忽视了农村住宅典型的供暖工况，缺乏对封厦处理节能效果的对照性评估。本研究以按照标准限制进行围护结构热工改造后的节能效果作为参考值，对封厦处理在寒冷地区农村住宅典型供暖工况下的节能效果进行评估。

1 研究方法

根据山东省济宁市、山西省太原市等地区的调研结果与既有研究，总结出农村典型户型特点：供暖房间较为集中，供暖建筑体中央一间为起居室，东西两侧各有1～2 间卧室，辅助用房分布在庭院中，如图1所示。其中有色填充部分的房间表示主要供暖房间，只进行围护结构热工改造的住宅没有“封厦处理（附加阳光间）”部分。建筑只设1 层楼，不考虑层间传热，层高3.3 m。

图1 农村住宅模型

本研究通过DeST-h 软件对农宅热负荷进行模拟计算，室内温度取14 ℃，室外气象参数使用软件自带数据库。考虑到农村家用电器较少，内部热源仅考虑照明和人员，每日照明功率密度取7 W/m2，人员在室率与供暖设备运行工况联动。工况设置按热工性能提升措施和供暖设备运行工况区分：热工性能提升措施分为普通热工改造和封厦处理，两种供暖工况分别为不间断供暖和“部分时间部分空间”的间歇供暖，具体工况设置如表1、2 所示。

表1 热工性能设置

表2 供暖设置

2 结果及分析

供暖需求主要从以下三方面考量：供暖设备最大负荷，卧室供暖季累积负荷以及供暖设备部分负荷段运行时间占比。

供暖设备最大负荷用于反映设备容量，卧室供暖季累积负荷和供暖设备部分负荷段运行时间占比反映供暖设备运行能耗。部分负荷段运行时间占比即按照供暖设备最大负荷的25%，50%，75%，100%分为4个负荷段后，各负荷段的设备工作时间（设备负载率），可以反映供暖设备的运行能效，50%以下负荷段属于设备低效运行段，而50%以上负荷段属于设备较高效运行段。

2.1 间歇供暖对负荷影响

本节讨论间歇供暖对负荷影响的区别。工况a-1、a-2 卧室最大负荷如图2 所示。

图2 工况a-1、a-2 最大负荷

受间歇供暖再热负荷的影响，原始数据未处理前，工况a-2 卧室最大负荷相比工况a-1 提升近130%，这意味着供暖设备的容量将是不间断供暖的2 倍。进一步探究发现，工况a-2 的最大负荷通常出现在开机1 h内，即20 点-21 点期间，1 h 后负荷波动趋于缓和，连续2 h 之间负荷波动幅度在20%以内，可以认为再热负荷的影响已经消除。因此，取开机1 h 后的最大负荷值作为供暖设备最大负荷，即供暖季最大不保证120 h的最大负荷。按照此方法选择的最大负荷值降低28%，较工况a-1 的最大负荷提升仅65%，后续研究的最大负荷皆按照此方法选取。

两种工况下累积负荷和部份负荷段运行时间分布也明显不同。如图3、图4 所示。

图3 工况a-1、a-2 累积负荷

图4 工况a-1、a-2 部分负荷段运行时间占比

分析得知，工况a-2 相比工况a-1 累积负荷降幅明显，达到34%。但以50%最大负荷值为运行能效分界点，两种工况设备运行时间占比有明显区别，工况a-2 会使设备在低效负荷段的运行时间占比提高约15个百分点：设备在0～25%，75%～100%两个负荷段的运行时间差别不大，工况a-2 会略微降低两者的占比2-5个百分点。受影响最大的是25%-50%和50%～75%两个负荷段，相比工况a-1，工况a-2 会增加25%～50%负荷段的运行时间占比17 个百分点，降低50%～75%负荷段的运行时间占比10 个百分点。这说明间歇供暖会对设备运行能效造成负面影响，尽管累积负荷降低，但供暖季节的节能情况仍有待探讨。

不同供暖工况下农宅的负荷情况存在明显的区别，鉴于两种供暖工况的差异性，有必要研究间歇供暖下封厦处理的实际效果。

2.2 封厦处理对负荷影响

本节讨论b 系列工况负荷情况，即间歇供暖下封厦处理对负荷的影响。附加阳光间进深在0.6～1.5 m的区间内按0.3 m 的间隔取进深值，节能率即封厦后的特征值相比未封厦下降的百分比，见图5。

图5 封厦处理的负荷节能率

分析得知，封厦处理具有较明显的降低负荷效果，在0.6 m 进深下，可以实现25.8%的最大负荷节能率以及36.8%的累积负荷节能率，但随着封厦处理附加阳光间进深的增加，节能率呈现线性下降趋势，0.6-1.5m 进深区间内最大负荷节能率和累积负荷节能率的极差分别为2.6 和4.8 个百分点，因此，仅作为集热部件的附加阳光间进深应当控制在0.6 m 以内。

封厦处理在不同进深的部分负荷段运行时间占比近乎一致，因此取进深1.2 m 的部分负荷分布情况和封厦前对比，见图6。

图6 封厦前后部分负荷段运行时间占比

可以发现，封厦处理会使设备在低效负荷段的运行时间占比降低约20 个百分点：设备在0～25%负荷段运行时间占比无明显变化，25%～50%负荷段运行时间占比降低20 个百分点，50%～75%负荷段运行时间占比提高18.5 个百分点，75%～100%负荷段运行时间占比提高1.5 个百分点。这说明，附加阳光间作为集热部件一定程度上减弱了再热负荷的负面影响，使得设备容量降低的同时，提高了设备负载率，让设备在50%以上高效运行负荷段时间占比显著提高，对设备供暖季节运行能效的提高有积极作用，有助于改善间歇供暖降低能效的负面特性。

2.3 封厦处理的节能效果评估

从上节分析中可以看到，封厦处理在间歇供暖工况下对降低设备容量和季节能耗都具有积极作用，本节以达到标准限值的围护结构普通热工改造可以实现的节能效果作为参照，对封厦处理的节能效果进行分析评估。

受农村经济条件限制，部分地区可能无法对围护结构进行全面的节能改造，因此考察单类围护结构改造后的供暖需求变化具有现实意义，如最为常见的外墙+门窗改造。因此，将围护结构普通热工改造分为外墙+门窗改造和全改造两类，作为对照组与1.2 m进深封厦处理进行比较。工况c-1、c-2 的最大负荷、累积负荷节能率如图7 所示。

图7 热工性能提升的负荷节能率

分析可知，封厦处理可以实现与外墙+门窗改造相近的节能率，但相距围护结构全改造的节能效果还存在较大差距：封厦处理最大负荷节能率与外墙+门窗改造几乎一致，累计负荷节能率高出近6 个百分点，总体上两个措施的节能效果相近。但封厦处理与仅达到标准最低限值的围护结构全改造相比也存在明显的差距，节能率约低22%，约为全改造节能率的50%～60%。

上节提到封厦处理可以显著改善间歇供暖下供暖设备负载率，其与围护结构热工改造的对比如图8所示。

图8 热工性能提升的部分负荷段运行时间占比

分析得知，相比原始围护结构，围护结构全改造会增加设备50%以下负荷段运行时间占比约12 个百分点，设备负载率降低。这表明围护结构全改造后再热负荷相比房间热负荷的相对影响有所增强，而附加阳光间可以减弱该影响，提高设备负载率。

3 结语

本研究证明了农宅间歇供暖负荷情况显著不同于不间断供暖，因此针对间歇供暖工况，与常见的围护结构热工改造措施对比考察了封厦处理的实际效果，得出以下结论：

1）间歇供暖会导致设备容量的显著增大，在最大不保证开机1 h 的情形下，可以有效降低设备容量，但仍然大于不间断供暖设备容量约65%。因此，针对间歇供暖工况的供暖设备应着重提高开机超频运行的能力。此外，间歇供暖可以有效降低季节负荷，但也会降低设备的负载率，从而降低运行能效。

2）阳光间0.6～1.5 m 进深区间内，随进深的增加，负荷节能率线性降低，极差2%～5%，因此阳光间无其他用途时应尽量控制其进深不宜过大。进深不会显著影响设备部分负荷段运行时间，采取封厦可以有效提高设备负载率，有助于缓解间歇供暖工况造成的负载率低下。

3）间歇供暖工况下封厦处理节能率与外墙+门窗改造效果基本持平，节能率在30%左右，但其较围护结构全改造的节能率还有差距，只能实现约二分之一的效果。不过，实施围护结构全改造后会进一步加剧间歇供暖工况造成的设备负载率低下的问题，封厦处理可以作为围护结构全改造的补充措施提高设备负载率，进而提高设备季节运行能效，在经济受限无法对围护结构全改造的情况下，也可以优先考虑封厦处理。

综上所述，在间歇供暖工况下，封厦处理具有和外墙+门窗热工改造相近的降低房间负荷效果，同时可以改善间歇供暖工况以及围护结构全改造导致的设备负载率低下的问题。考虑到其施工的简易程度，在经济受限的情况下，可以作为寒冷地区农宅热工性能提升的优先措施推广。在经济允许的情况下，可以把封厦处理作为围护结构全改造的补充措施，进一步降低设备容量和供暖季节能耗。