祁连山高寒地区零碳农宅技术研究

1?高寒地区建筑气候特征

我国严寒寒冷地区占大部分陆域国土面积，多深居内陆，远离海洋，祁连山高寒区是我国西北荒漠区和青藏高原高寒区的过渡区，具有典型的大陆性气候和高原气候特征。因受干冷空气的影响，该区气温年较差较大，年平均气温为1.2~6.5?℃，最热月（7月）温度可达到14.3~19.2?℃，最冷月（1月）温度可达到–13.1~–10.4?℃，冬季降温幅度大，表现为冬季长而寒冷干燥。且因为西风带的移动，夏季短而温凉。全年降水有限，年降水量较少，大部分区域的年降水量为158~311?mm；祁连山高寒区年蒸发量为2?000.6?mm；太阳辐射强且光照充足，年日照时数可达到2?210~2?884?h，日照率为65?%。该区域采暖季为6~9个月，属于中国建筑区划图的严寒和寒冷地区，防寒保暖成为民居首要解决的问题。

2?农宅用能及碳排放现状分析

2.1?建筑结构

高寒地区建筑采暖能耗的多少取决于建筑围炉、门窗和屋顶结构，而北方农村传统住宅大部分为土木及砖木结构，少部分为砖混结构。对于农村住宅来说，大部分建筑墙体都没有保温层，只靠墙防御寒冷，且墙体、门窗、屋面漏风严重，室内采暖的能耗也会随之升高。新农村住宅全部为砖混结构，房间布局、气密性得到改善，但是相当一部分新建农宅的砖混结构仍无保温措施。

2.2?用能现状

祁连山高寒农村地区消费能源主要来自于家用电器，如电视、冰柜及照明消耗的电能和用于炕、炉采暖和生活炊事等消耗的热能两大类。炉、灶、炕是村镇建筑传统的能耗组成部分，统计分析热、电等能源种类及能源消耗特征，是研究零碳农宅技术的重要基础。

祁连山高寒农村地区家庭使用最广泛的采暖设备为土暖气，使用最多的能源是煤炭，其次为电能，传统的秸秆、柴薪依然被少数家庭使用。以甘肃省永昌县双磨街村为例，大部分农户采用“麦秸+煤炭+畜禽粪便”能源消费模式。电能主要用于照明、家电、部分农用车充电等；煤炭主要用于冬季采暖炊事，部分住户夏季炊事生活热水；麦秸和畜禽粪便主要用于冬季烧炕，也有一些住户在夏季间歇烧火提供炊事生活热水等热源。经过现场调查，每户农村家庭一年的能源消耗量见表1。

表1?农村家庭能源消费统计

2.3?碳排放分析

分析碳排放可知，户均年碳排放量为11?800?kgCO ₂ ，其中煤炭燃烧CO ₂ 排放量占61.4?%，是碳排放的主要因素，其次是生物质燃料燃烧CO ₂ 排放量占35.8?%，这两部分合计97.2?%，电的碳排放量占比很低。从能源用途来讲，主要是采暖和炊事用煤炭和生物质燃料，用能34?394.6?kWh，占比98.6?%。对于祁连山高寒区农村来说，如何减少煤炭和生物质燃料的使用量是零碳农宅技术研究的核心。

3?建筑本体节能减碳技术

对于高寒地区建筑，相对于照明、家电、炊事等用能来讲，采暖用能是建筑运行过程中的主要能耗，也是最具有节能潜力的部分。

在采暖季，建筑物内部热量通过墙体、门窗、屋顶、地面等围护结构向外散失，然后需由内部热源不断提供热量以维持室内相对稳定的热环境。建筑物总失热中通过围护结构传热耗热量占70?%~80?%，通过门窗缝隙的空气渗透耗热量占20?%~30?%。因此，采取围护结构保温措施、选用热工性能良好的门窗可以有效阻断建筑物内热量散失，降低建筑能耗。

目前农村住房墙体可分为早期、近期、新建3种类型：早期主要是土木结构，土坯墙体，屋顶是木椽、草泥，单层木窗，保温隔热性能、气密性等很差；近期主要有砖木结构，墙体为240砖混、370粘土砖砌体，屋顶是木椽、草泥防水，也有少部分是130?mm厚钢筋混凝土预制板，单层铝合金窗，保温性能、气密性较差；新建的大部分为240、370砖混墙体，预制混凝土屋盖或现浇混凝土屋顶，单层铝合金窗、单层钙塑窗，也有极少量的铝合金双层窗，基本无保温措施。 用建筑节能能耗计算软件计算了典型农宅不同保温构造的能耗，具体数据见表2。

表2?不同结构类型农房能耗指标

从表2中可看出，不论哪种墙体基础材料，增加保温层后能耗都大幅下降，在同等条件下，与240砖混相比全年能耗降低23.3?%~30.8?%。

4?低碳能源供给系统

4.1?低碳能源供给系统设计方案

4.1.1?合理利用太阳能资源

祁连山高寒区具有丰富的太阳能资源，20世纪70年代我国开始研究为建筑提供热能和电能的太阳能应用技术。在建筑本体节能的基础上，采用太阳能主被动结合技术，再以浅层地源热泵辅助互补方式为寒冷地区单体建筑供暖。北方采暖地区，大多数城乡处于太阳能资源丰富区，为太阳能建筑提供了可能。

虽然太阳能是非常适合农宅的非碳基新能源，但同时要准确认识太阳能的特点，固然太阳能普遍存在、量大、免费易得，但仍要看到其不连续、非稳定的特点，主要是日夜更替的昼夜不平衡、四时变换的季节不平衡、阴晴雨雪的天气不确定性，特别是非采暖季的得热量占其全年得热量的68?%。即在采暖季能够利用的太阳能资源只有全年总量的32?%，这个特点对于利用太阳能采暖需要高度关注。如果没有储热措施，太阳能集热系统大部分时间处于闲置状态，从能量的角度来讲，要想得到多的热量就要尽可能多地设置太阳能集热器，而这在经济上不合理，并且夏季系统过热问题也是一个难题；如果集热面积小，得到的热量又不够建筑采暖需求。设置储热单元是解决这个问题的一个方法，但是户用型系统只能设计短期储热单元解决昼夜平衡问题，长时期的储热单元在区域性大规模太阳能集中供热项目中采用，称其为跨季节储热，这样的技术户用型系统中无法使用。

因此，高效科学利用太阳能资源，就必须针对其特点制订合理的设计方案。基于上述分析，提出农宅太阳能高效利用的路径——光热、光伏系统联用，以光伏为主、光热为辅。光热系统解决全年生活热水和部分炊事用能，光伏系统全年发电，充分利用国家“自发自用、余电上网”的政策，既避免了设备闲置、又可全年利用太阳能。在采暖季用光伏+低温型空气源热泵制热，可以提高能源利用效率。户用型太阳能利用技术路径如图1、图2所示。

图1?非采暖季能源供给系统示意

图2?采暖季能源供给系统示意

光热系统安装30根直径58?mm集热管，200?L水箱，内胆为304不锈钢可满足饮用水质要求，全玻璃真空管太阳能热水器1台，可保证4~5人全年生活热水和部分炊事用能。

4.1.2?合理利用热泵技术

电制热技术有热电炉、电加热器、电毯、石墨烯纤维、发热电缆、碳晶板等利用电直接加热的形式（以下简称“电直热”），还有利用空气源热泵热风系统、水系统的形式。经过从初投资、运行成本、热舒适性、操作调控等方面综合分析，认为低环境温度空气源热泵热风机（以下简称热泵热风机）具有高性价比。低环境温度空气源热泵热风机是一种利用电机驱动的蒸气压缩循环，将室外低温环境空气中的热量转移至室内的设备，可以在室外–30?℃低温环境下正常工作，通常COP可以达到2.5以上，能源利用效率远高于电炉、电加热器、电毯等电直热方式，可靠性和能效都有保障。采取保温节能措施后，农宅耗热量为5?468?kWh，选用3P低温型空气源热泵热风机即可满足采暖要求。

4.2?低碳能源供给方案效益分析

根据上节计算可知，3?kWp光伏电池年发电量为4?195?kWh。采取保温节能措施后（按最基本保温措施计），户均采暖能耗为5?468?kWh。使用空气源热泵技术，需要消耗电能2?187?kWh，完全满足采暖需求。剩余2?008?kWh可以用于照明、家电、炊事及上网售卖（注：太阳能热水器得热量较小，暂未计算）。

5?结论

建筑运行过程中产生的碳排放量与建筑运行过程中的能耗直接相关。因此降低建筑运行过程中的碳排放量主要有两个途径：一是最大限度地降低建筑自身能耗指标，减小能耗总量，降低碳排放量；二是应用非碳基可再生能源代替或部分代替传统化石能源，进一步降碳排放量。降低建筑自身能耗是基础和前提，只有将建筑能耗降低到一定程度，再引入可再生能源才有经济性，才能将碳排放量降至最低，达到低碳乃至零碳排放。

（1）目前农户户均年碳排放量约为11?800?kg CO ₂ ，其中煤炭燃烧CO ₂ 排放量占61.4?%，是碳排放的主要因素。（2）采取保温节能措施后，采暖能耗可以降低到20?%左右。（3）采用太阳能热水+光伏+ 空气源热泵热风机的高效供能系统，可以满足农户消耗的电、热能源需求，可以实现零碳排放。（4）能源供给系统单位投资年减排量为5?480?kgCO ₂ /万元，系统寿命期单位投资减排量为137.2?tCO ₂ /万元，具有良好投资效益。