金国辉，杨 鹏，梁娜飞，李威风

(1. 内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010；2. 西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055)

内蒙古自治区的牧区旗、市共有33个，半牧区旗、市有21个，其中27%牧区及33%半牧区分布在内蒙古西部地区。随着经济的不断发展，内蒙古西部地区农牧民生活水平有了显著的提高，人们对住宅的室内环境及舒适性有了更高的要求。受到各方面条件的制约，内蒙古西部地区绝大多数农牧民住宅仍然是传统的单层建筑，围护结构性能较差，采暖方式落后，太阳能利用率低且能源消耗大。研究内蒙古西部草原民居室内热环境，改善传统采暖方式已经成为一项重要课题。

内蒙古西部地区北接蒙古，南靠甘肃、宁夏，属于温带大陆性气候，冬季漫长且寒冷，而该地区草原民居冬季供暖方式主要以火炕、火炉、土暖气为主，并且草原民居建筑围护结构散热系数大，室内温度和舒适度已经不能满足人们正常的生活需求。此外，内蒙古西部地区属于我国地质板块第二阶梯，海拔高，太阳能资源丰富，年平均日照时间为3 000～3 200 h，年太阳总辐射量为615～691 kcal/cm2[1](1 kcal=4.186 8 kJ)，年均平均风速为6.7 m/s，有效风能密度为200～300 W/m2[2]，但是该地区草原民居建筑冬季采暖并未充分利用太阳能、风能资源，仍然采用传统的非清洁能源。将太阳能、风能资源利用到内蒙古西部草原民居建筑供暖中，并且提出适用于内蒙古西部地区草原民居建筑的供暖模式，对改善当地民居建筑室内热环境具有重要作用。

关于民居室内供暖模式的研究，胡晶晶[3]提出了太阳能与蓄热水箱联合供暖系统，研究发现，单一的太阳能热利用系统存在供需不匹配、初期供热量不足、对环境适应性差等诸多问题。路祥玉[4]研究了北方农村被动式住宅太阳能供暖系统与储能火炕联合供暖的方案，发现联合供暖方案可以降低室内温度波动性，提高室内温度分布均匀性，但是该系统对非清洁能源依赖性较大，节能效果不佳。金鑫等[5]提出一种新型吊炕与土暖气联合运行的供暖系统，采用新系统的房间室内温度提高了5.7 ℃，当室内温度提升值一致时，新型供暖系统每年可节省秸秆1 972.2 kg，CO2减排2 603.3 kg，SO2减排1.0 kg。彭国勋[6]提出了一种完全基于风能的供暖系统，综合利用风能和太阳能，并通过压缩空气储能系统改善风能的间歇性和不稳定性，实现了系统持续供暖的功能，但是该系统缺乏辅助热源，对室内热环境没有实质性改善。

总体而言，对民居室内供热系统方面的研究多数为太阳能、风能与传统供热系统的单一利用，虽然有效降低了温度波动，但是对室内温度及热舒适度(PMV)值的改善效果较差，并且研究主要集中在北方农村地区，对内蒙古西部草原民居的研究较少。本文中提出利用内蒙古西部地区丰富的太阳能、风能资源对当地草原民居供暖模式进行优化，利用等效模型模拟后，对改造的民居室内温度、热舒适度变化情况进行讨论。

1 调研情况

内蒙古西部共计7个盟、市，人口占全区的47.1%。分别对内蒙古西部地区额济纳旗、鄂托克旗、阿拉善左旗吉兰泰镇以及巴音毛道农场4个地区进行调研，统计居民生活状况和民居住宅现有供热系统以及室内热环境状况。被调研的住户家庭一般居住3～5人，生产方式主要以种植和放牧为主。

1.1 供热系统

内蒙古西部草原民居室内供暖方式主要以传统的煤炉、土暖气、火墙和连炕灶为主，选取4个地区共计271户农牧民家庭供暖模式进行调研，结果如表1所示。由表可知，内蒙古西部草原民居冬季室内供热模式中煤炉和土暖气方式用户达到56.1%，使用火炕和连灶火炕的用户达到31.5%，说明该地区民居住宅当前仍然采用传统的非清洁能源向室内供热。

表1 内蒙古西部草原民居供暖模式调研结果

1.2 室内热环境

通过对4个地区的调研，选取具有代表性的额济纳旗某草原民居作为典型民居。该民居建筑坐北朝南，单层砖混结构，围护结构热工性能较差，门窗存在冷风渗透显现。根据测量，该建筑开间、进深为10.2、7.2 m，层高为3 m，平面图如图1所示。

图1 内蒙古西部典型草原民居平面图及测点位置

采用JT-IAQ型热环境测试仪，对该民居进行室内热环境测试，设置客厅、主卧、次卧3个测点，测点位置选择无阳光直射、无穿堂风处。在测点处设置热环境测试仪，将仪器联网，利用计算机搭载JTSOFT-IAQ配套软件，实时记载室内温度与PMV值。测试时间为北方冬季最冷月份，即2019年1月1—31日，室内热环境测试值如图2所示。

图2 内蒙古西部典型草原民居2019年1月室内热环境测试值

行业标准JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中规定冬季室内采暖温度最低值为18 ℃，而该民居测试值为：客厅温度为15.51～15.86 ℃，PMV值为-0.82～-0.70；主卧温度为14.68～15.17 ℃，PMV值为-2.67～-2.36；次卧温度为14.77～15.55 ℃，PMV值为-2.70～-2.45。可见，在传统火炕加土暖气的供暖模式下，该民居冬季室内温度和热舒适度不能满足人体热舒适性的要求。

2 构建建筑模型

利用Design-Builder软件在典型草原民居的基础上绘制民居物理模型，并划分热工分区，见图3。

图3 基于Design-Builder软件的典型草原民居热工分区

1)改造方案围护结构参数。利用Design-Builder软件对典型民居进行改造，选取4个地区的气象参数作为变量，设置围护结构参数，如表2所示。

表2 改造方案的围护结构参数

2)室内人员活动量。考虑到该地区居民的生产生活方式主要以畜牧、农耕为主，因此工作日与休息日的设置只针对家中在校青少年。以现场调研为依据，冬季室内活动时间设置如表3所示。主卧活动人员一般为成年夫妇，人员热扰取值0.93；客厅人员热扰值为所有活动人员热扰的平均数为0.84；次卧活动人员为2名青少年，人员热扰取值0.7。

表3 冬季室内活动时间

3)家用电器及照明功率。每个电器在工作过程中均会散热，产生设备热扰。电器设置如下：电视机1台，功率为200 W，其他非有序做功设备热扰可忽略不计。各房间均安装节能灯，每盏灯的功率为30 W。

4)供暖系统设置。在该典型民居建筑的基础上南向附加阳光间，如图4所示。南向附加阳光间有效地改善了室内蓄热不足、散热快的问题。太阳光照进被动式阳光间通过短波辐射的方式向室内供热，阳光间再通过空气对流、传导等过程向建筑传热[7]。白天阳光间储存热量向室内供热，夜晚阳光间减少建筑向外散热，整个过程不需要其他能源辅助。根据国家标准GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中阳光间进深不宜超过1.5 m的规定，阳光间进深选取为1.4 m，开间宽度与民居南墙宽度一致，采用厚度为24 mm的中空玻璃(两侧均为厚度6 mm的单层玻璃，中间含有12 mm空气层)，窗墙比为0.5～0.8。

图4 基于典型民居建筑的南向附加阳光间

目前落地炕仍然是内蒙古西部地区民居建筑中主要的采暖方式之一。落地炕在炕体内设有挡板，目的是减缓烟气的流出来延长蓄热时间，而挡板使得炕体表面温度分布不均匀，且综合效率低[8]，因此在该民居模型主卧中加入节能型吊炕。不同于传统火炕的是吊炕底部架空，距离地面20～30 cm，底部设有支柱，炕面采用预制混凝土板，混凝土板的蓄热系数和导热系数比传统材料的高，如表4所示。

表4 炕体材料的物理性能

此外，吊炕取消了炕体内的挡板，增大了炕面的受热面积。因为底部架空，所以上、下面均可向室内散热，并且在排烟口设有控制挡板避免烟气的迅速流失[9]。吊炕的设置如图5所示。

(a)立面图

据调研，火炕每次填料3.5～4 kg秸秆和2～2.5 kg动物粪便及锯末，落地炕的热效率为40%，节能型吊炕热效率为70%，每个火炕按照每天消耗6 kg生物质燃料来计算[10]，则落地炕的放热功率为431.9 W，吊炕的放热功率为755.9 W。

土暖气在内蒙古西部地区民居建筑的使用中存在许多问题。由于土暖气锅炉中加入的水均为井水，水质硬且含有泥沙，因此锅炉中易产生水垢，常造成暖气堵塞。此外，农村土暖气没有自动补水装置，暖气管道经常因缺水而炸裂，容易造成管道裂缝[11]。将电暖器加入到该民居模型中，利用风力发电机将内蒙古西部丰富的风能转化为电能，再将电能转化为向室内供给的热能[12]。供给端风力发电机代替土暖气的锅炉，将供给的原料变为了可再生能源。风电转化端为家用风力发电机，额定功率为1 000～5 000 W，启动风速为2.5 m/s，风轮直径为3～5 m，塔架高度为6～10 m。电能储存端组成为6～10块蓄电池，标准电压为12 V，单块容量为200～400 A·h；逆变器、整流器各1台，卸荷装置1组。风力发电机将电能传送到室内或者储存在蓄电池组中，室内供暖末端为电暖器，功率为500～2 000 W。风能供热系统末端的电暖气功率为1 500 W，在模拟过程中将吊炕功率转化为房间设备功率，在自定义供暖系统(HVAC)中设置电暖气功率。风能供热系统如图6所示。

图6 风能供热系统

3 模拟结果分析

利用Design-Builder软件，分析优化后的方案在4个地区的气象参数下的不同状况，得出内蒙古西部草原民居冬季最冷月室内热环境情况，如图7所示。由图可知：4个地区优化后的模型冬季最冷月室内主卧日均温度平均提高了7.06 ℃，PMV值增大了1.68；客厅日均温度平均提高了3.4 ℃，PMV值增大了1.1；次卧日均温度平均提高了5.29 ℃，PMV值增大了2.26。在不同的气象参数条件下优化后的民居室内温度及热舒适度均有所改善，室内温度均为18～23 ℃，客厅舒适程度均在舒适与稍暖之间，主、次卧舒适程度均在稍凉与舒适之间。

4 结论

本文中采用现场调研及Design-Builder软件建模方法，分析了包括南向附加阳光间、节能型吊炕及风能供热系统的供暖模型在内蒙古西部额济纳旗、鄂托克旗、阿拉善左旗吉兰泰镇及巴音毛道农场4个地区冬季最冷月室内热环境及热舒适状况，得到以下结论：

1)在现有采暖方式下测得典型民居冬季最冷月室内主卧日平均温度为14.93 ℃，PMV平均值为-2.54；客厅日平均温度为15.66 ℃，PMV平均值为-0.77；次卧日平均温度为15.01 ℃，PMV平均值为-2.55。说明传统采暖方式已经不能满足内蒙古西部草原居民正常的采暖需求。

2)利用Design-Builder软件模拟得出，民居在新型供热系统下室内温度及舒适度均有显著改善，室内温度均为18～23 ℃，客厅舒适程度均在舒适与稍暖之间，主、次卧舒适程度均在稍凉与舒适之间，4个地区最冷月平均室内温度为19.17 ℃，较原典型民居提高了31.8%，PMV值为0.1，增大了2.66，舒适程度由原来的冷改善为舒适。

3)充分利用太阳能、风能资源进行室内采暖将是内蒙古西部地区建筑采暖的新趋势，也是推进绿色可持续发展和新农村建设的必由之路。