蓄热量对局部时段供暖房间能耗影响的实测与分析

袁浩波， 钟　珂， 袁丽婷， 刘加平

(1. 东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620； 2. 西安建筑科技大学 建筑学院， 陕西 西安 710055)

蓄热量对局部时段供暖房间能耗影响的实测与分析

袁浩波1， 钟珂1， 袁丽婷1， 刘加平2

(1. 东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620； 2. 西安建筑科技大学 建筑学院， 陕西 西安 710055)

冬冷夏热地区为非集中供暖区域，局部时段供暖是该地区典型的冬季采暖行为特征，这导致家具等蓄热体在供暖时间内处于不稳态传热过程，蓄热量会影响到室内升温速率和能耗指标.在人工气候室内对不同蓄热量房间的能耗指标随供暖时间的变化特征进行了实测分析.结果表明，由于蓄热体在供暖过程中吸收和储存热量，房间蓄热量会大幅度增加短时间供暖房间的能耗指标，随着供暖时间的延长，能耗指标逐步下降.房间蓄热量和室内外温差越大，随供暖时间延长则能耗指标下降越缓慢.此外，蓄热量较大时,室内气温将难以在短时间内控制到满足人体热舒适需要的范围.

供暖时长； 蓄热量； 室内外温差； 能耗指标； 供暖能耗

我国冬冷夏热地区冬季持续时间虽比北方地区短，但气候同样寒冷.由于这一地区的建筑外围护结构保温性能较差，根据我国相关设计标准和地域性习惯，通常并不设置集中供暖系统，故冬季室内热环境恶劣.文献[1]对上海冬季非供暖房间的热环境进行了持续2个月的实测，结果表明，该地区冬季室内热环境远离人体健康和舒适要求的区间.冬冷夏热地区冬季室内热环境的改善措施多为个人行为，具有明显的“局部空间，局部时段”的特征[2].在很多情况下，供暖持续时间很短，有时甚至不足1h，室内传热尚处于不稳态过程.在这种情况下，供暖能量不仅被用于加热室内空气，还有相当一部分用于加热家具等蓄热体.室内蓄热量越大，相同温升所需要的能耗越高，导致供暖能耗很大程度上受室内蓄热量的影响.

关于居住建筑供暖能耗的研究虽已有很多[3-7]，但这些研究大多数是针对长时间持续供暖，室内气温和围护结构内部基本上处于稳定情况展开的.家具等蓄热体对短时间供暖能耗的影响效果则少有人研究.针对冬冷夏热地区居住类建筑冬季采暖行为特点，为了得到不同室内蓄热量时的供暖能耗特征，本文在人工气候室内，对热风供暖房间空气温度和能耗进行了实测，分析对比了不同供暖时长和蓄热量条件下的能耗情况.

1　实测环境与方法

实测以上海地区为例，在人工气候室内分别模拟室内无家具、有家具和家具蓄热量加倍等情况，就室内外代表性温差条件对室内空气温度、壁面温度和能耗进行实验研究.

人工气候室位于一大实验室内，具体位置见图1(a).气候室内空间尺寸为长×宽×高=3.6 m×3.0 m× 2.6 m，房间的围护结构外侧为彩钢板，内壁面厚度为1.0 mm不锈钢板，中间为7 cm厚岩棉板，墙体实际传热系数为0.9 W/(m2·℃).房间有一扇带有密封条的平开门，门上设有0.35 m×0.35 m的双层玻璃的观察窗.故可以认为热负荷均匀来自围护结构，不存在明显的热桥.

气候室门的上方墙壁设有一个0.1 m×0.3 m的通风口，上设余压阀.实测中将余压阀开启形成通风口，通过该通风口形成冷风渗透进入室内.为保证每个工况冷风渗透量基本相等，实验中采用小风机通过该通风口送入室外空气，模拟换气次数为1次/h 的冷风渗透量.

(a) 人工气候室平面布置

(b) 测量杆的平面位置

(c) 测点的高度设置图1　人工气候室位置及室内测点布置(单位：mm)Fig.1　Location of the artificial climate chamber and the arrangement of measuring points indoor(unit:mm)

在常温下，常用木纤维板家具和水的热扩散率分别为3.69×10-11和3.44×10-11m2/s.为模拟供暖房间内家具陈设等的蓄热能力对热环境和供暖能耗的影响，实验中在人工气候室内分别放置20桶或40桶纯净水(每桶水的蓄热量大约为75.6 kJ)， 模拟室内有家具蓄热体和家具蓄热量加倍的情况.

人工气候室内放置了4个可移动的参数测杆，每个杆的不同高度处固定温度测量仪.图1(b)和1(c) 分别给出了测量杆的平面位置和测点高度.空气温度的测量采用Humlog-20型温度仪，分辨度为0.1℃.由图1(c)可知，测杆上空气温度感温件设在长方体塑料外壳中，温度感温件外表面覆盖着铝箔锡纸，并且塑料外壳上设有百叶小风口，既可以与外界空气形成对流，又可以避免因辐射而带来的测量偏差.用Delta OHM (HD32.7 RTD DATALOGGER)测量围护结构内表面温度，人工气候室自带热电偶测量蓄热体表面温度，并用保温棉覆盖所有表面温度的测点，以保证对固体表面温度的测量不受周围空气温度的影响.利用接在暖风机上的电度表测量供暖能耗.针对不同室内外温差，共进行了6种工况的实测，相关参数如表1所示.

采用供暖功率为1 100 W的暖风机对房间供暖.使用固定供暖功率间歇供暖的方式，即当室内气温高于设定温度1℃时，停止供暖，低于1℃时，开始供暖.每个工况的持续时间约为9h.实验过程中，分别维持气候室内外温差为(15±1)℃和(8±1)℃.

表1　实验工况及参数Table 1　Experimental conditions and parameters

2　实测结果与分析

冬季供暖房间的室内气流速度通常很低，同时，相对湿度也不在供暖措施控制范围内，因此，空气温度和固体表面温度成为影响人体热舒适的主要因素.

2.1室内温度变化的实测结果

在6种工况下位于房间中心位置的测杆2上的7个测点过余温度θ的平均值随供暖时间τ的变化曲线如图2所示.这里，房间过余温度θ为室内空气温度与室外气温的差值.

图2　测杆2上7个测点平均过余温度实测曲线Fig.2　The measured curves of seven measuring points average surplus temperature on rod 2

由于用于加热蓄热体的热量随着蓄热量的增大而增大，因此，由图2可以看到，在一定的供暖功率下，房间蓄热量越大，室内空气温度上升越缓慢.室内外温差较大时，室内气温上升速率明显小于室内外温差小的情况，这是因为较大的房间热损失导致用于加热空气的热量比例减小.

比较图2中不同蓄热量情况时暖风机运行时间，可以看到，房间蓄热量越小，暖风机启停越频繁，

且运行时长与暂停时长基本相当；而蓄热量较大时，由于蓄热体不断吸收热量，暖风机运行时长在供暖初期明显大于暂停时长.

冬冷夏热地区居住建筑供暖的重要特征之一是供暖区域随人员移动而改变，因此，室温完全升至舒适值所需要的时间τ0也是评价房间舒适性的主要指标.表2给出了每种试验工况的τ0.

表2　不同工况条件下室温完全升至舒适值所需要的时间τ0Table 2　The timeτ0required when room temperature reaches comfort value completely under different working conditions

由表2可以看到，无论室内外温差如何，τ0均随着家具蓄热量增大而增加，但其增加幅度受室内外温差的影响非常大.房间每增加20×75.6 kJ的蓄热量，室内外温差较大时，τ0大约延长120 min；而在室内外温差较小时，τ0仅延长10～15 min.可以认为，在热损失较大房间，较大的蓄热量将导致短时间供暖房间舒适性下降.

当室内蓄热量Q= 20×75.6 kJ时，测杆4的平均空气过余温度和其附近墙体内表面的过余温度随时间变化曲线如图3所示.

图3　测杆4平均空气过余温度与附近壁面表面过余温度随时间的变化曲线Fig.3　Variation curves of average air surplus temperature of rod 4 and the nearest wall surface surplus temperature

由图3可见，由于人工气候室围护结构的内表面为不锈钢材质，其热扩散率很大.因此，墙体表面温度与附近空气温度变化节奏完全一致.无论室内外温差如何，这种一致性都不受家具蓄热量的影响.由图3还可以看到，间歇供暖的过程中，在墙壁蓄热性能的作用下，壁面温度上升过程和下降过程都比附近空气温度缓慢，由此可见，墙壁的蓄热性能起到一定的稳定室温的作用.

为考察不同工况下房间下部区域蓄热体附近气温情况变化特点，图4给出了测杆3上7号测点及其附近蓄热体表面的过余温度的实测曲线.

(a) Δt=15℃

(b) Δt=8℃图4　测杆3上7号测点及其附近蓄热体表面的过余温度的实测曲线Fig.4　The measured curves of rod 3 No.7 measuring point air surplus temperature and the nearest regenerator surface surplus temperature

由图4可以看到，与围护结构壁面温度的变化特征不同，蓄热体表面温度上升速度远低于空气温度.这是因为围护结构的热扩散率很大，而蓄热体模拟家具蓄热情况，热扩散率很小，故两者温度上升速度相差明显.随着供暖时间的持续，蓄热体表面温度将逐步接近空气温度，表明在实测时间范围内，蓄热体一直在吸收并储存热量，而这部分热量对实现人体热舒适无明显作用.

2.2不同供暖时长的平均能耗分析

由于房间内蓄热体的存在，大量供暖能量用于加热蓄热体，使得室内空气温升缓慢，暖风机连续运行时间加长.因此，在供暖功率一定的情况下，暖风机运行和暂停时间将决定最终供暖能耗.在不同工况下暖风机运行时间和暂停时间随供暖时间变化实测结果如图5所示.

(a) 运行时间

(b) 暂停时间图5　在不同工况下暖风机运行和暂停时间随供暖时间的变化图Fig.5　The graph of the heating and pausing time changing over heating time under different working conditions

由图5可知，由于室内蓄热体温度随供暖时间延长逐渐升高，因此所有实测工况下的供暖暂停时间都随着供暖时间的延长而增大，而加热时间则减小.此外，由图5还可以看到，房间蓄热量越大，加热时间越长，暂停时间便越短.这种特征在供暖初始阶段最明显，但随着供暖的持续，这一特征会逐步减弱.

图6为房间供暖能耗随供暖时间的变化曲线.由图6可以看到，由于蓄热体耗费了大量热量，在蓄热量大的工况下供暖能耗随时间的延长一直快速上升，而在蓄热量小的工况下能耗仅在供暖初始阶段较快上升.这表明，随着供暖时间的延长，不同蓄热量工况下单位时间内供暖能耗将有所不同.

图6　不同工况下耗电量随供暖时间变化曲线Fig.6　The curves of the power consumption changing over the heating time under different working conditions

由图6的实测还表明，室内外温差较大(Δt= 15℃)时，工况5(Q=20×75.6 kJ)与蓄热量加倍时的能耗增长曲线在初期非常接近，但室内外温差较小(Δt= 8℃)时，两者的能耗曲线有明显区别.这可能是因为房间热损失越大，用于加热空气和固体表面的热量越少，于是暖风机运行时间将延长，最终导致两种蓄热量房间都出现了暖风机暂停时间相对运行时间可以忽略不计的情况，即能耗几乎都呈直线上升.

此外，由图6还可知，室内外温差较小(Δt= 8℃) 时，工况3(Q=40×75.6 kJ)的能耗甚至在任何时刻都高于工况4(Δt= 15℃，Q= 0 kJ)的情况，这表明蓄热量对短时间供暖房间能耗的影响有可能大于室内外温差的作用.

上述分析表明，局部时段供暖时能耗受到供暖时间的影响.冬冷夏热地区供暖行为特征可能使房间供暖时长在很大范围内变化.为了比较不同供暖时间对应的能耗情况，图7分别给出了能耗指标ε(即单位时间单位建筑使用面积的供暖能耗)随着供暖时间的变化曲线和不同供暖时间内室内空气平均温度与室外气温的差值Δti间的关系实测结果.

(a) 能耗指标

(b) 室内的平均气温与室外气温差Δt变化图7　不同工况下能耗指标与Δt随着供暖时间的变化曲线Fig.7　The curves of the energy consumption index and Δt changing over heating time under different working conditions

设非连续供暖建筑的供暖初始温度通常比室外气温高3～6℃.为此，图7在计算能耗指标ε时，起始时刻定义为室内气温被加热至低于舒适温度9℃(室内外温差较大时)和5℃(室内外温差较小时)的时刻.

由图7(a)可以看到，所有工况下能耗指标ε随着供暖时间的延长而下降.供暖时间短至1 h时，不同家具蓄热量房间的供暖能耗差别不大，这是因为供暖初期所有固体表面温度都很低，需要用于加热固体表面的热量在3种家具蓄热量情况下差别不大.但围护结构内表面上升至舒适温度后，家具蓄热量大的房间由于需要大量热量加热蓄热体，能耗指标下降缓慢，并开始明显高于蓄热量较小的房间，并且这种差别随着供暖时间的延长而增大.只有当蓄热体温度完全升至舒适温度时，蓄热量对能耗指标ε的影响才会逐渐减小，然而图4的蓄热体表面温度实测结果表明，在本文的实测时间长度(约9 h)内尚未到达这种状态.但由室内外温差较小时的能耗指标ε变化情况可以看到这种趋势，即不同蓄热量房间的能耗指标的差值随着供暖延续增大至一定程度后，又出现减小的趋势.

由图7还可以看到，供暖时间较短时，蓄热量大的房间不仅能耗指标高，而且室内平均气温也偏离舒适温度较远，室内外温差越大，这种现象越明显.因此，在局部时段供暖的房间中，过大的家具蓄热量可能成为供暖房间高能耗和低舒适度的主要原因.

3　结　语

在冬冷夏热地区非集中供暖建筑中，供暖区域随着人员移动而改变，仅持续1～2 h的供暖时间很常见.供暖能量在提高室内空气温度的同时也在加热家具等蓄热体，故室内蓄热量将影响到局部时段供暖房间的能耗指标.本文在人工气候室内，对不同蓄热量工况的能耗指标随着供暖时间变化的特征进行了实测分析，主要结论如下：

(1) 由于实测房间壁面材料的导温系数远大于实验用蓄热体(类似家具)，因此，在供暖过程中，前者温度与气温同步变化，而后者温度始终低于气温.表明墙体壁面材料蓄热性能仅在供暖初期影响能耗，而家具等蓄热体在局部供暖时间内一直处于不稳态传热状态，并持续吸收和储存热量，这将大幅度提高短时间供暖房间的能耗指标.室内外温差越大，能耗指标增大幅度亦越大.

(2) 房间内蓄热体升温过程占用了部分供暖能耗，用于加热空气的热量随着蓄热量和室内外温差的增大而减小.因此，局部时段供暖的房间中，室内气温达到舒适温度的时间随着蓄热量的增大而增大，室内外温差越大，这种现象也将越明显.

(3) 由于局部供暖时段房间处于不稳态传热过程，不论室内蓄热量如何，能耗指标都随着供暖时间的延长而减小.房间蓄热量和室内外温差越大，能耗指标随供暖时间延长的下降速率越缓慢.

根据以上结论可知，为提高短时间供暖房间节能效果，应减小室内蓄热量.对于墙体蓄热量大于室内家具陈设蓄热量的情况，可以将围护结构设计为内保温形式，避免墙体材料成为室内蓄热体；另外，由于辐射供暖方式下用于加热蓄热体的热量大于热风供暖方式，因此短时间供暖房间尽可能避免辐射供暖.

[1] 吕静.夏热冬冷地区居住建筑冬季室内热环境质量的优化研究[D].上海：东华大学环境科学与工程学院,2003.

[2] 中华人民共和国建设部.JGJ 13422001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2001.

[3] LIANG J, LI B Z, WU Y, et al. An investigation of the existing situation and trends in building energy efficiency management in China[J]. Energy and Buildings, 2007, 39(10)：1098-1106.

[4] 付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[5] 钟珂，王琦，亢燕铭.夏热冬冷地区冬季供暖方式的选择[J].暖通空调,2004,34(12)：70-73.

[6] 王建辉，李百战，刘猛，等.夏热冬冷地区居住建筑节能技术适用性分析[J].暖通空调，2009,39(11)：3-6.

[7] 王昭俊.夏热冬冷地区的节能住宅研究[J].暖通空调，2002，32(3)：24-26.

Measurement and Analysis of the Influence of Thermal Mass on Energy Consumption in Intermittent Heating Room

YUANHao-bo1，ZHONGKe1，YUANLi-ting1，LIUJia-ping2

(1. School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;

2. School of Architecture, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China)

Residential buildings in the hot summer and cold winter zones are not equipped with central heating systems, and intermittent heating is usually used for room heating in this climate zone in winter. This may result in unsteady heat transfer process of the regenerator material during the heating time, and the thermal mass may strongly affect the rise rate of the indoors temperature and the energy consumption index (ECI). The variations of ECI with the length of heating time for different heat mass gain are measured and analyzed in an artificial climate chamber. The results show that thermal mass will substantially increase the value of ECI within a short-term heating time because the regenerators take and store thermal energy in the heating process, the value of ECI will be gradually reduced with the increase of heating time. The higher the thermal mass and temperature difference between indoor and outdoor air, the slower decreasing speed of the ECI value. In addition, it is difficult to control the indoor air temperature in an appropriate range to meet the needs of thermal comfort in a short period of time when the thermal mass is large.

length of heating time; thermal mass; difference in temperature between indoors and outdoors; energy consumption index; heating energy consumption

1671-0444(2015)06-0808-06

2014-09-25

国家自然科学基金资助项目(51278094)；上海市教委科技创新重点资助项目(13ZZ054)

袁浩波(1990—)，男，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为室内空气品质.E-mail: yuanhaobo0502@126.com

钟珂(联系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 832.1

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