超低能耗民居多能耦合供热系统能效优化设计与管理.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月中国西北地区冬季漫长而寒冷，自古以来被誉为苦寒之地，当地居民冬季取暖一直是饱受重视的民生问题，随着经济社会的发展，农村地区冬季采暖方式越来越成为人们关注的焦点。究其原因，主要是目前西北农村地区继续沿用老一辈人留下的采暖方式，比如火炉、火炕、土暖气等，这些过时的设备采暖效率低下，而且整个采暖期供热成本偏高，最为重要的是，采用火炉、火炕、土暖气等设备供暖造成了不可估量的能源浪费及环境破坏。当前，中国已经取得脱贫工作的完全胜利，西北地区经济得到了较好的发展，当地农民生活质量有了大幅度的提高，居民对居住环境及舒适性有了更高的期盼。要解决民居冬季采暖所存在的痛点，就要构建以清洁能源为主的多能耦合供热系统，并进行优化研究。关于民居室内供暖系统的研究，郭琪1设计了适应北方农村住宅的多能互补供热新途径，利用 TRNSYS 软件建立了太阳能集热器、空气源热泵、土壤源热泵、地埋管以及蓄热水箱数学模型，模拟计算结果，并提出系统的优化设计方法。彭胜男等2为解决目前北方农村燃烧散煤供暖的问题，针对北方农村独立民居适宜性提出了光伏-空气源热泵联合供热模式，并模拟计算了瞬态计算模型，发现利用该联合供热系统在供热上的经济性和环境效益均具有显著的优势。李付强3在研究民宅供暖问题时选择了银川地区的典型案例，为寻求该民居最佳的围护结构构造方式，并解决舒适度差的问题，利用改进的算法计算出了最优的围护结构改进方案。金国辉等4为了解决内蒙古西部草原民居采暖效率低、室内热环境差等问题，创新了供热方式，搭建了联合采暖平台，集成了清洁能源供热技术，通过优化设计提出了满足该地区民居住宅采暖需求的优化方案。闫瑞妙5以山西省孝义市的一民宅作为研究对象，对室内供热系统进行了实测与节能分析，利用 EnergyPlus 软件构建了生物质与太阳能联合供暖系统，结果表明，该系统下室 内平 均 温度 为 17.39 ，PMV（Predicted MeanVote，预测平均评价）值始终在依0.5 以内，热舒适度较好。总体而言，对民居室内供热系统的研究要贴合当地实际，以目前供热方式为基础，设计多能源耦合供热方式，综合考虑供热系统对建筑能耗、室内舒适度和供热系统经济性的影响，使得设计更加科学。收稿日期：2023-06-19第一作者简介：张泽华，1989 年生，男，内蒙古包头人，硕士，工程师，主要从事结构工程、工程管理、全过程咨询服务、BIM 技术、绿色建筑等方面的研究。超低能耗民居多能耦合供热系统能效优化设计与管理张泽华，侯敏，吴连竟（包头一机置业有限公司，内蒙古 包头 014010）摘要：为了解决西北农村地区民居冬季室内供热能效低下尧 采暖成本偏高的问题袁 选取了宁夏回族自治区中卫市最具典型代表性的一户民居住宅作为研究对象袁 以 DesignBuilder 为研究工具袁 模拟分析了该系统下典型民居住宅整个供暖期内的供暖效果与供热成本遥 结果表明袁 多能耦合供热系统相较于原有供暖方式在整个采暖期可提高平均室内温度 6.48 益袁提升幅度接近 50%袁 提高热感觉指数平均值 0.79袁 可降低采暖能耗 13 622.89 kW 窑 h袁 降幅约为 82.4%袁 节能效益良好遥关键词：超低能耗曰 多能耦合曰 供热系统中图分类号：TU111.19文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0068-04Energy Efficiency Optimization Design and Management of Multi-energy CouplingHeating System for Ultra-low Energy Consumption Residential BuildingsZHANG Zehua,HOU Min,WU Lianjing(Baotou First Machine Real Estate Co.,Ltd.,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)Abstract:In order to solve the problems of low indoor heating energy efficiency and high heating costs in rural areas of northwestChina in winter,the most representative household in Zhongwei City,Ningxia Hui Autonomous Region was selected as theresearch object,and DesignBuilder was used as the research tool to simulate and analyze the heating effect and heating costs oftypical residential buildings throughout the entire heating period under this system.The results show that compared with theoriginal heating mode,the multi-energy coupling heating system can increase the average indoor temperature by 6.48 益 in thewhole heating period,an increase of nearly 50%,increase the average value of the thermal sensation index by 0.79,and reducethe heating energy consumption by 13 622.89 kW h,a decrease of about 82.4%,with good energy-saving benefits.Key words:ultra-low energy consumption;multi-energy coupling;heating system（总第 216 期）节能减排682023 年第 9 期2023 年 9 月1既有民居住宅供热系统模型构建1.1民居模型构建研究对象为中卫市高滩村一户农宅，建筑为坡屋面，开间进深为 10.2 m7.2 m，层高 3 m。该民居的平面图如图 1 所示。单位：mm图 1民居平面图农宅的研究借助 DesignBuilder 软件完成，以民居为基础模型，绘制民居模型如图 2 所示，按照实际情况对建筑进行模块化分区，每个房间分别对应一个模块，便于模拟计算。图 2民居模型分区图研究室内能耗就必须考虑建筑本身的因素，如围护结构材料及参数、现有热源等。在 DesignBuilder 软件中根据收集的信息设置相关参数。1)围护结构参数设置。根据所选民居住宅状况，将该住宅现有围护结构做法设置在 DesignBuilder 软件中，导出传热系数，如表 1 所示。2)人员热扰及作息。通过查阅资料及访问咨询，结合当地居民的实际生活习惯，人员热扰值取 0.93；客厅人员热扰值为所有活动人员热扰值的平均数 0.84；次卧人员热扰值取 0.7。人员活动时间如表 2 所示。3)供热系统设置。走访调研发现，包括该民居在内的当地住户家中基本采用自建的锅炉来采暖，也就是俗称的土暖气，该户家中所用的为煤柴两用 140#型燃烧炉，热效率在 60%左右6，在 DesignBuilder 软件自定义 HVAC（Heating，Ventilation，Air Conditioning，采暖、通风和空调）中构建土暖气系统，如图 3 所示。根据当地习惯，除家中所用的土暖气外，冬季传统的火炕也会参与到供暖中，按照居民的习惯每次燃烧火炕需要秸秆 34 kg，也可掺杂动物粪便及锯末2.02.5 kg，而火炕热效率为 40%，如果每个火炕每天消耗 5 kg 生物质燃料，按照式(1)计算7，火炕功率为406 W。w=QrMr浊ts，(1)式中：w为额定热功率的数值，单位 W；Qr为燃料热值，单位 J/kg；Mr为燃料消耗量的数值，单位 kg；浊为热效率；ts为时间的数值，单位 s。表 1围护结构参数值结构名称结构做法传热系数/（W m-2 K-1）外墙20 mm 的水泥砂浆+370 mm 的烧结砖+20 mm 的水泥砂浆1.352坡屋顶25 mm 的瓦面+20 mm 的水泥砂浆+5 mm 的油毡+40 mm 的硬木板+隔气层+棚板+吊顶0.695外门普通木门2.276窗铝合金窗框、双层玻璃3.862表 2冬季室内人员活动时间项别时间段客厅主卧次卧人数 在室率/%人数 在室率/%人数 在室率/%周内7:008:303601501508:3012:3000012:3015:0050505015:0018:0000018:0022:0050505022:00 至次日 7:000100100周末7:008:3001001008:3012:3050252512:3015:0025505015:0018:005002518:0022:0060505022:00 至次日 7:0025601003 4003 4003 40010 200主卧客厅次卧洗漱间杂物间餐厅厨房张泽华，等：超低能耗民居多能耦合供热系统能效优化设计与管理692023 年第 9 期2023 年 9 月图 6散热器模型图图 3土暖气示意图1.2模拟结果分析该民居采暖季能耗如表 3 所示。表 3民居基础模型采暖能耗如表 3 所示，目前该民居在现有模式下采暖能源消耗量较大，每平方米均摊可达 200.62 kW h，说明土暖气与火炕联合采暖热效率低下，造成了严重的能源浪费和环境污染。整体来看，采暖季能耗量为 16 529.38 kW h，如果按煤炭资源来折算，相当于需要 4.371 t 煤炭。2多能耦合供热系统模拟中卫市全年光照时间较长，采暖季平均风速为3.37 m/s，根据当地实际情况设计了太阳能阳光房系统及风电供暖系统，模拟方案的主体思路是增设阳光房，合理利用被动式太阳能技术，风电供暖系统由离网风力发电系统与电散热器组成，这样设计的巧妙之处在于末端散热器可以实现清洁能源供能。在房屋向阳面增设一个模块，将阳光房外墙尺寸和材质输入 DesignBuilder 软件。以 GB/T 508242013 农村居住建筑节能设计标准 为参考，阳光房进深要小于等于 1.5 m8，所以初步设定阳光间宽度为 1.4 m，距离地面高 0.3 m。立面用钢化中空玻璃，顶面采用钢化夹层玻璃。绘制附加阳光间民居模型如图 4 所示。风电供暖系统原理如图 5 所示。风电系统的模拟需要考虑到如何设置供热系统HVAC 的问题，本文将电辐射热源覆盖到每个房间，软件识别为电辐射设备，功率设置在常用的 1 500 W 左右。风电系统散热器模型如图 6 所示。3模拟结果分析1)室内热环境。从模拟计算结果来看，以 14 为温度下限，利用 DesignBuilder 软件模拟出两种不同供热方式下该民居的室内热环境状况，如图 7 所示。从研究结果可以很直观地看出，本文提出的多能源耦合采暖相较于原有采暖模式在室内热环境方面有了较大幅度的提升和改善。具体来说，整个采暖期室内平均温度从 13.80 提升至 20.28，提升幅度接近50%，且进入 1 月最冷时期多能源耦合采暖依旧能够将平均温度维持在 17.54 左右；整个采暖期热感觉指数平均值从-0.65 提升至 0.14，在最冷月份也依旧维持在-0.38 左右，无论是居住的舒适度，还是温度，均有了显著的改善。2)采暖能耗。该民居采暖季能耗如表 4 所示。循环回水分水循环回水集水循环供水分水循环供水集水循环水泵散热器锅炉循环模拟情况数值建筑面积/m282.39采暖能耗量/（kW h）16 529.38单位面积能耗量/（kW h m-2）200.62图 4附加阳光间民居模型图图 5风电供暖系统原理图卸荷电暖气尾舵电机仓风轮电流蓄电池整流器逆变器风电转换端电能储存端电热转换端散热器702023 年第 9 期2023 年 9 月参考文献：1 穆金霞.五图-双系数三级判别法在紫金煤矿底板突水评价中的应用 J.煤炭与化工，2021，44(7)：48-51.2 王立仁.五图双系数法在煤层底板承压水突水危险性评价中的应用 J.河南科技，2019(17)：71-73.3 张勇.基于“五图-双系数法”的带压开采煤层底板突水危险性评价 J.中国煤炭地质，2016，28(5)：46-49.4 王宗明，来永伟，段俭君.五图双系数法在北辛窑煤矿底板突水评价中的应用 J.煤炭与化工，2016，39(5)：7-12.5 周丽娜.云岗矿 8 号煤层底板奥灰水突水危险性评价 J.江西煤炭科技，2021(4)：125-127.6 田午子.范各庄矿煤层底板突水危险性评价方法 D.廊坊：华北科技学院，2021.7 王君卿.斜沟煤矿 23107 工作面突水危险性评价及注浆改造实践 J.煤炭与化工，2020，43(11)：67-70.8 李岩.山西王家岭矿 10#煤层底板突水危险性评价 J.中国煤炭地质，2020，31（增刊 1）：66-68.9 侯德芳.新元煤矿 15#煤层突水危险性评价分析 J.江西煤炭科技，2020(3)：233-236.10 尚小平.潞宁煤业 2#煤层底板突水危险性评价模型研究及应用 J.煤矿现代化，2020(4)：135-137.（编辑：刘晓芳）图 7模拟结果对比表 4民居多能耦合系统采暖能耗如表 4 所示，采暖模式改造后该民居每平方米采暖能源消耗量仅为 29.85 kW h，整体来看，总的能耗量相较于原有模式降低了约 82.4%，仅仅为 2 906.49 kW h，与严寒地区超低能耗建筑技术指标要求相吻合。4结束语在现有民居基础上对多能耦合供热系统进行了深入研究，以 DesignBuilder 为工具对两种模式下的民居进行了建模计算，分析了该系统与当前民居室内供热系统的能耗及热环境数据。结果发现，多能耦合供热系统在整个采暖期可提高平均室内温度 6.48，提升幅度接近50%，提高热感觉指数平均值 0.79，可降低采暖能耗13 622.89 kW h，降幅约为 82.4%，节能效益良好。参考文献：1 郭琪.基于清洁能源应用的北方农村独立民居多源互补供热系统优化研究 D.青岛:青岛理工大学，2018.2 彭胜男，郭健翔，马晓丰.适用于北方农村独立民居的光伏-空气源热泵联合供热系统 J.青岛理工大学学报，2019，40(6)：103-109.3 李付强.宁夏生态移民中适宜绿色技术应用研究 D.济南：山东建筑大学，2013.4 金国辉，陈伟，杨鹏等.内蒙古西部超低能耗草原民居供暖模式与围护结构优化 J.真空科学与技术学报，2020，40(12)：1208-1213.5 闫瑞妙.基于节能改造后清洁能源在北方农宅供热系统的应用与研究 D.太原：太原理工大学，2018.6 金鑫，谭羽非，于克成.北方农宅吊炕与土暖气联合供暖系统测试分析 J.哈尔滨工业大学学报，2019，51(4)：179-186援7 王波.内蒙古西部被动式超低能耗草原民居供热系统多能集成配置研究 D.包头：内蒙古科技大学，2018援8 中国建筑科学研究院有限公司，河北省建筑科学研究院.近零能耗建筑技术标准：GB/T 513502019 S.北京：中国建筑工业出版社，2019援（编辑：刘晓芳）模拟情况数值建筑面积/m297.37采暖能耗量/（kW h）2 906.49单位面积能耗量/（kW h m-2）29.853025201510501.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0温度（多能耦合供热）热感觉指数（多能耦合供热）温度（原始）热感觉指数（原始）日期（上接第 19 页）张泽华，等：超低能耗民居多能耦合供热系统能效优化设计与管理71