墙体蓄热对间断供暖房间能耗特征的影响

陈焕 刘鑫 王舒寒 钟珂

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，夏热冬冷地区利用供暖设备供暖的行为不仅发生在深冬季节，在初冬和初春也较为普遍，这期间室外气温极不稳定，虽然大多数时间室外气温在13 ℃（不开空调时人体可以承受的室内温度[1]）以上，但在寒潮来临时，室外气温会在短时间内降至较低温度。这种情况下，居民需要对房间供暖，该供暖行为具有局部时间、局部空间的特征，属于间断供暖[2]。

有大量文献针对间断供暖房间的能耗特征进行了研究，如文献[3-4]研究了保温层位置、供暖持续时长以及间断时间等因素对间断供暖房间能耗的影响。文献[5-7]详细分析了室内家具等蓄热体蓄热对间断供暖房间供暖能耗的影响。文献[8]运用数值模拟的方法分析了墙体蓄热对建筑墙体保温性能的影响。上述研究结果表明，室内家具、内围护结构等蓄热体在供暖期间的吸热特征对间断供暖房间能耗具有重要的影响作用。但是室内不同位置蓄热体对供暖能耗的具体影响效果尚无人涉及。

为此，本文将采用数值模拟的方法，对间断供暖房间内围护结构造成的供暖能耗分布特征进行研究，为减少该地区供暖能耗提供科学依据。

1 数学模型与验证

1.1 计算模型与边界条件

如图1所示，模拟房间外表面尺寸L（长）×W（宽）×H（ 高）为4.4m×4.7m×3.0m，墙体厚度均为0.2m，故模拟房间内表面尺寸L×W×H=4m×4.3m×2.6m。窗户面积L×W=2.5m×1.2m，导热系数λc=3.0W/(m·K)，材料为玻璃；门的面积为2.1m×0.9m，厚0.05m，材料为榆木；电视柜体尺寸为1.6m×0.55m×0.3m，沙发体尺寸为2.2m×0.8m×0.3m+0.6m×0.6m×0.3m，材料均为榆木，各材料的热工性能参数见表1，冷风渗透量为1次/h。

图1 房间模型

模拟房间位于中间层中间位置，地板，屋顶和隔墙均为内围护结构，建筑材料采用钢筋混凝土，外墙体由0.2 m厚的钢筋混凝土承重层和0.08 m的挤塑板保温层组成。表1为各材料热工性能参数。为研究墙体蓄热造成的能耗，本实验假设各内围护结构邻室表面绝热，此时内围护结构只有蓄热。冬季最不利条件为全阴天，室内外温差较大，因此不考虑室外气温的波动，外墙外表面温度设为4 ℃。

表1 各材料热工性能参数

供暖设备每周期的运行时间和停止运行时间，室外气候，居住者经济水平和生活习惯、供暖房间使用功能等因素均会影响供暖行为的时间特征，为了方便起见，本文定义间断供暖房间的供暖周期为供暖设备开始供暖至下一次供暖开始之间的时长，采用供暖时间比λ描述供暖时间特征，即一个周期内供暖时间与该周期时间总长之比，比如供暖一个小时，停暖四个小时（g1t4），λ=20%，本实验工况还有λ=33%（g1t2），λ=50%（g2t2），λ=67%（g4t2），λ=80%（g8t2）。

图1所示的供暖房间，采用变频空调热风供暖，空调送风口和回风口位于侧墙上侧，面积均为0.7 m×0.1 m，见图1。间断供暖期间为了使室内温度维持在人体舒适温度19±1 ℃，当室内空气温度ti低于18 ℃，空调采用大功率供暖（4.5 kW），送风温差Δt为22.5 ℃，当ti升至 20 ℃时，采用小功率供暖（1.8 kW），送风温差Δt为9 ℃，送风量为0.1667 m 3/s。

1.2 计算方法

本实验假设室内空气为三维不可压缩流体，即在模拟计算过程中认为流体属性不变。所有墙壁均符合无滑移和无渗透条件，围护结构和门内表面，电视柜和沙发表面都满足对流耦合条件，墙体外表面设为等壁温。物理模型用四面体网格划分，送、回风口、墙体以及室内蓄热体附近的网格采用加密处理。定义Velocity-inlet 形式为送风口和窗户边界类型，outflow为回风口边界类型。用二阶迎风格式离散控制方程，并用压力速度耦合SIMPLE算法求解离散方程。

2 模拟结果与分析

2.1 内围护结构蓄热造成能耗的量化分析

内围护结构蓄热能耗占总能耗的 70%以上[3]，因此，降低内围护结构蓄热造成的供暖能耗是实现间断供暖房间节能的重要途径。

2.1.1 内围护结构温度变化特征

图2给出了典型供暖时间比情况下，内围护结构内表面温度随时间（）变化曲线。由图 2a可知，屋顶和地面的内表面温度高于其他围护结构。对比图2a和图2b可知，供暖时间比愈大，地面和屋顶内表面平均温度高于其他围护结构的趋势愈明显。另外，由图2还可看出，供暖期间受室内热空气的影响，围护结构内表面温度升高。停暖期间，由于冷风渗透的作用，使得围护结构内表面温度下降。但在第二周期，内表面温度整体上高于第一周期，供暖时间比越大越明显。这是因为比热容较大的围护结构直接与室内空气接触，当第一周期开始供暖时，围护结构的温度较低，它们会吸收大量的热量来提高自身温度，而这些被吸收的热量在第一周期停暖期间没有完全散失，使得第二周期围护结构内表面温度整体大于第一周期。

图2 内围护结构表面温度的时间变化曲线

2.1.2 内围护结构能耗特征

为了评价间断供暖房间供暖能耗的大小，定义供暖期间房间的平均热指标qλ为：

式中：Qλ为供暖时间比为λ时的供暖能耗，J；A为房间的地面面积，m2；τ为λ对应的供暖时间，s。

间断供暖房间内围护结构蓄热造成的房间平均热指标qλ随 供暖时间比λ的变化如图3所示。由图3可以看出，随着λ的增加，由于内围护结构与室内空气的温差减小，其在供暖期间吸收的能耗与总能耗的比例降低，故房间平均热指标qλ下 降。

图3 房间平均热指标qλ 随λ变化特征

图4给出供暖时间比λ=20%和λ=67%时各内围护结构的能耗特征。由图4可以看到，第二周期各围护结构能耗均小于第一周期，这是因为随着供暖周期数的增加，内围护结构温度在不断升高，与室内空气的温差减小，围护结构在供暖期间吸收的能耗减少。

图4 λ=20%和λ=67%时间断供暖房间各内围护结构能耗特征

另外，从图4a和4b可以很明显地看到地面和屋顶蓄热造成的能耗占总能耗的比例很大，而其他墙体能耗远小于两者。为了更加详细的研究地面和屋顶的能耗变化，图5给出了各围护结构蓄热能耗占总能耗的比例图。

由图5可知，地面蓄热造成的能耗占总能耗的比例大于屋顶，并远大于其他垂直墙体，而且两者之和占总能耗高达50%以上。

图5 内围护结构各部位蓄热能耗占总能耗的比例

由于地面受热风直吹，同时热气流上升，房间上部的温度升高加快，故随着供暖时间比λ的增加，地面蓄热能耗占总能耗的比例在下降，其他围护结构的比例上升，但地面和屋顶蓄热造成的能耗之和仍远大于其他围护结构的蓄热能耗。

2.2 外墙传热造成的能耗特征

内围护结构蓄热上文已经做了详细研究。本文将主要研究外墙传热对供暖房间能耗特征的影响。为了与外墙采用内保温时的房间能耗进行对比，图6给出了当外墙采用外保温和内保温时，间断供暖房间平均热指标qλ随供暖时间比的变化特征。由图6可以看出，无论供暖时间比如何变化，外墙采用外保温时的平均热指标始终大于内保温。因此建筑外墙保温方式采用内保温时的节能效果更好。

图6 外墙传热造成的房间平均热指标qλ随供暖时间比λ的变化特征

由上文分析可知，地面和屋顶的能耗均较大，为了得出外墙传热造成围护结构的能耗特征，图7给出了地面，屋顶和外墙能耗占总能耗的比例图。由图 7可以看到，随着供暖时间比的增加，外墙蓄热能耗占总能耗的比例一直在增加，是因为当持续供暖时间增长时，外墙与室外空气温差变大，换热加强，外墙在供暖期间吸收的能耗占总能耗的比例变大。

图7 围护结构占总能耗比例

由图 7 还可以看到，虽然外墙蓄热能耗占了一定比例，但地面和屋顶蓄热能耗占总能耗的比例依然很高。与图5对比可知，无论持续供暖时间、外墙保温方式如何变化，地面和屋顶蓄热能耗之和占总能耗的比例远远大于其他围护结构，因此在夏热冬冷地区，除外墙要有保温之外，屋顶和地面也应该结合室内装修进行适当保温。

3 结论

本文主要利用数值模拟的方法，对夏热冬冷地区过渡季节间断供暖房间能耗进行计算，研究间断供暖房间围护结构内表面温度和能耗特征，得到以下主要结论：

2）间断供暖时，无论λ和保温层位置如何变化，地面和屋顶蓄热造成的能耗之和始终远大于其他墙体蓄热能耗。

3）相对于外保温，内保温可以减小间断供暖房间围护结构蓄热能耗。

综上所述，夏热冬冷地区既有建筑的保温改造工程中，建筑外墙保温方式选用内保温更有利于减少供暖能耗。而新建建筑屋顶和地面也应该结合室内装修进行适当保温。并且当室外气温较低时，应该适当延长周期供暖时间。