分户热计量地板供暖系统房间位置对室温及耗热量影响的研究

孙春华，赵红霞，夏国强，朱宇光

0 引言

随着计算机技术的发展，供暖向智能化、信息化、自动化方向转变，室内温度作为供热系统的基本信息之一，是供热效果直观反馈的主要参数.建筑中需要环控的最小空间单元为独立的结构房间，房间被认定为研究建筑能耗的最小空间单元，称为建筑能耗结构基因，即基因房间[1].假定每个热用户的各房间相通，即每个热用户可看作一个基因房间.在众多室内环境要素中，室内空气温度是最重要的环境要素，空气温度对人的舒适感影响最为显著.建筑能耗是各个时刻能耗在时间上的累计结果，它具有时间遗传特性[2].使用供暖设备进行温控的基因房间，其内部空气在各种因素的综合作用下，当时间足够长时，基因房间的室温将趋于稳定，因此室内温度代表了历史供热效果.基因房间处于建筑中的位置不同，其实际室温与期望室温偏差不同.如何将采集上来的成千上万的基金房间室温或者测试哪个典型位置基因房间的室温作为建筑供暖代表温度，来体现系统的供热效果，进而作为反馈值修正供热系统的运行调控目标，值得进一步研究。因而本文主要研究基因房间在不同位置时，室温及耗热量的影响因素和变化规律，为进一步确定建筑供暖代表温度做基础.

1 研究对象及数据来源

1.1 研究对象

建筑的特征包括建筑层数、建筑朝向、建筑围护结构热工性能、建筑的外型、用户数量以及入住率.因目前大部分北方热计量居住建筑都是2000年以后竣工并且建筑外型一致，几乎均是节能建筑；坐北朝南是北方居住建筑的特点；由于户间传热的存在入住率低的建筑基因房间的单位面积耗热量差异过大，且室温偏差可能较大；目前的新建建筑一梯两户的户型居多.根据以上的特征选定的具有代表性建筑是石家庄某小区一栋18层、坐北朝南、入住率很高且是一梯两户的节能建筑，建筑的详细信息见表1[3].

表1 建筑详细参数Tab.1 Architectural detail parameters

1.2 采集数据来源

监测数据主要有室内外逐时空气温度、用户日耗热量和热力入口的供回水温度，主要设备是通断时间面积法热分摊技术的热计量装置和温度记录设备[4].

1.2.1 室温控制器

安装于用户室内的测温和通讯装置，其型号为GWK-LW/D（河北工大科雅能源科技股份有限公司），用于测量、显示和设定房间温度，并能够以通信方式控制通断控制器工作的装置.同一分摊系统内，室温控制器安装位置应相对统一，安装在起居室靠近室内中心位置且距室内地面高度为1 m的墙上.

1.2.2 通断控制器

设置于共用管井中的入户供暖管道上，能够接受室温控制器的信息，通过阀门全开全关动作控制入户供暖水量，并以通信方式传输和记录阀门通断时间的电驱动调控部件.

通过耗热量管理软件得到该建筑各基因房间在2015年11月15日—2016年3月15日整个供暖季中的逐时室内外空气温度和逐天耗热量，将采集到的数据进行异常数据剔除与补充，然后将各基因房间的逐时室内外空气温度积分平均得到逐天室内外空气温度.

2 研究理论方法

建筑热惰性对建筑能耗有一定的影响，若建筑保温性能好，则室外空气温度对基因房间的耗热量影响小，反之则影响较大，因此室外空气温度对耗热量的影响可以体现在房间的热惰性.室内空气温度的高低也体现了基因房间的供热效果，因此通过SPSS软件对各基因房间的逐天单位面积耗热量与逐天室内外温度进行二元线性拟合得到耗热量关系式[5].所有基因房间拟合的相关系数R2在0.93以上的达到90%，因此可信度较高.拟合得到室外温度系数与室内温度系数，建立二元线性回归[6]数学模型如下

式中：q为各基因房间的逐天单位面积耗热量，kWh；β1，β2为系数；tw为逐天室外温度，℃；tn为逐天基因房间室温，℃.

其中tn=20℃.

居住建筑室温为20℃时，人才会感到比较舒适，同时也符合节能建筑的标准，室温20℃也是最佳敏感度[7]的温度.由式（2）求得的值反映室内温度对耗热量的影响，为了方便比较各房间室内温度对耗热量的影响，需要对整个采暖季求累计平均值，得到每个基因房间在整个采暖季的值，然后采用归一法对各基因房间的值进行处理，公式为

式中n为基因房间数量.

得到值的大小代表了室温对耗热量影响的大小，值越大则耗热量受室温因素影响越大，值越小则耗热量受非室温因素影响越大，非室温因素主要包括室外温度及户间传热[8].且值越大，基因房间温度对整个建筑影响的贡献越大.

3 基因房间位置对室温及耗热量影响

3.1 不同位置基因房间对建筑供热反馈室温的影响

在该建筑中选取基因房间1与基因房间2为研究对象，在表2中列出了研究对象在该建筑中的位置及与其相邻上、下侧基因房间的位置及名称.在该建筑中，有山墙的基因房间1位于建筑外侧，无山墙的基因房间2位于建筑内侧.基因房间3、4分别位于基因房间1、2的相邻下侧，基因房间5、6分别位于基因房间1、2的相邻上侧[9].

表2 研究对象的α值及相邻房间的位置Tab.2 The α value of the research object and the location of the adjacent room

为使研究对象不受户间传热的影响，需保证研究对象相邻同侧的基因房间室温具有相似性.研究对象相邻下侧基因房间3与基因房间4的室温偏差在±8%以内，相邻上侧基因房间5与基因房间6的室温偏差也在±5%以内，在此基础上可以保证研究结果不会受到户间传热的影响.由式（3）求得基因房间1的α值为1.104，基因房间2的α值为1.120，可以看出处于内侧基因房间的α值大于外侧，即内侧基因房间2对该建筑室温影响的贡献大于外侧基因房间1.

图1、图2分别列出了该建筑中与研究对象具有相似特征的基因房间的α值.在不受户间传热、屋顶耗热及底层传热影响的条件下，处于外侧基因房间的α值均小于内侧基因房间.处于内侧基因房间的耗热量受室温因素影响较大，对整栋建筑温度影响的贡献也大于外侧基因房间，这就为进一步研究整栋建筑的供热反馈室内温度奠定了基础.

图1 1单元101（外侧）、102（内侧） 的α值Fig.1 The α value of 1 unit 101 （outside） and 102 （inside）

图2 3单元101（内侧）、102（外侧） 的α值Fig.2 The α value of 3 unit 101 （inside） and 102 （outside）

3.2 非供暖房间对相邻基因房间室温影响分析

供暖住宅用户在供暖期间由于未入住或其他原因而未缴纳热费，物业公司被迫将其停热，导致相邻房间有温差，则户间会有热量的传递.高层住宅由于户间隔墙面积小，理论上主要是地板传热，该建筑楼板构造如图3所示.

在该建筑的非供暖房间中选取与非供暖基因房间a相邻的两个基因房间为研究对象，分别为位于基因房间a相邻下侧的基因房间b，相邻上侧的基因房间c.研究对象在该建筑中的位置、名称以及详细信息见表3.

若两个基因房间同时达到期望室温20℃时，在整个采暖季中基因房间b需要的耗热量都要大于基因房间c，结果如图4所示.基因房间b的α值小于基因房间c，如表3所示.由此可知，基因房间b受非室温因素影响较大，又由于基因房间b位于该建筑内侧，因此其α值较小是由相邻非供暖房间a的户间传热造成的.

图3 建筑楼板构造Fig.3 Building floor construction

表3 研究对象房间的详细参数Tab.3 The detailed parameters of the object of study room

图4 tn=20℃时房间b、房间c逐天单位面积拟合耗热量Fig.4 tn=20℃，per unit area fitting heat consumption by day of room b and room c

图5 房间b、房间c室温及供回水温度Fig.5 Indoor temperature and temperatures of water supply&return of room b and room c

基因房间b、c在整个供暖季中的室温及供回水温度的规律如图5所示.在整个供暖季中基因房间b的室温始终低于基因房间c，且整个供暖季的室内均温比基因房间c要低约2℃，即基因房间c所需要的耗热量要大于基因房间b.然而，在两个基因房间供水温度相似的前提下，基因房间b的回水温度却低于基因房间c.可见，在整个供暖季基因房间b的耗热量大于基因房间c，即基因房间b为维持热用户需要的舒适环境需要消耗更多的耗热量，而比基因房间c多出的耗热量则通过户间传热传向与其相邻的非供暖房间a.综合上述，当某一基因房间不供暖时，对相邻楼下的基因房间影响较大，相邻楼上的基因房间影响较小.在实际应用过程中，若由于入住率低的原因导致地板暖热用户中某一住户室温一直较低，建议热力公司将相邻楼上非供暖住户的阀门打开，而非相邻楼下住户.

为了进一步说明上述结论，将该建筑中与研究对象具有相似特征的基因房间的α值列于图6中.观察图6可以发现，与非供暖基因房间相邻的下侧基因房间的α值均小于上侧，即下侧房间受非室温因素即户间传热影响较大.若基因房间位于非供暖房间相邻下侧，其α值较小，对整栋建筑温度影响的贡献小于其他基因房间，则在接下来建筑代表供暖温度的研究中需将其单独考虑.

3.3 相邻两侧均为非供暖房间的室温及耗热量分析

选取基因房间d与基因房间e为研究对象，两个研究对象均位于该建筑的3单元16层.其中基因房间d位于该建筑内侧，且与其相邻的上、下两侧房间在整个供暖期均未供暖，基因房间e位于该建筑外侧，与其相邻的上、下两侧房间均正常供暖且能达到热用户舒适要求，研究对象的详细参数见表4.

若按上述结论，假使基因房间d与基因房间e同时满足室温为20℃，则处于建筑内侧的基因房间d所需要的耗热量要小于基因房间e.而观察图7可以发现，当两个基因房间的室温同时达到20℃时，基因房间d的耗热量却大于基因房间e.

基因房间d、e在整个供暖季中的室温及供回水温度的规律如图8所示.在整个供暖季中基因房间d的室温始终低于基因房间e，在供水温度相差较小的情况下，基因房间d的回水温度在大部分时间均小于基因房间e，可见基因房间d得到的耗热量大于基因房间e，而达到的室温却低于基因房间e.由表4知，基因房间d的α值为1.093，小于基因房间e.综上所述，基因房间d受非室温因素即户间传热的影响较大，通过户间传热向相邻两个非供暖房间传递热量.在研究建筑代表供暖温度时需将与研究对象类似的基因房间单独考虑.

图6 与非供暖房间相邻住户的α值Fig.6 The α value of The nonheating and adjacent residents

表4 研究对象房间的详细参数Tab.4 The detailed parameters of the object of study room

图7 tn=20℃时房间d、房间e逐天单位面积拟合耗热量Fig.7 tn=20℃，per unit area fitting heat consumption by day of room d and room e

图8 房间d、房间e室温及供回水温度Fig.8 Indoor temperature and temperatures of water supply&return of room d and room e

4 结论

1）处于建筑内侧基因房间的α值大于外侧基因房间，即内侧基因房间的室温对整个建筑的供暖代表温度影响较大，而处于建筑外围的基因房间影响程度相对较小.

2）与非供暖房间相邻的两个基因房间中，下侧基因房间受非室温因素即户间传热的影响较大.因此，在实际应用过程中，若由于入住率低的原因导致地板供暖热用户中某一住户室温一直较低，建议热力公司将相邻楼上非供暖住户的阀门打开，而非相邻楼下非供暖住户.

3）供暖建筑中，若房间上、下两侧均为非供暖房间，则需要更多的耗热量才能维持期望的室内温度.且这类房间在研究建筑代表供暖温度时需单独考虑.

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