夏热冬冷地区间歇供暖房间动态热特性研究

2020-08-31王智德于国清

上海节能 2020年8期

王智德熊乐于国清

上海理工大学

0 引言

我国的夏热冬冷地区主要包括长江中下游及其周围地区，该地区气候特征总体表现为夏季闷热，冬季阴冷。该地区年降水量大，日照偏少，不属于集中供暖地区，居民多采用自主式间歇供暖作为该地区冬季的主要供暖方式。

国内外一些学者通过实验模拟分析等手段，对房间间歇供暖的热特性与节能潜力进行了分析研究。李兆坚等人对北京市某节能住宅的间歇供暖特性进行了模拟分析，结果表明，在满足舒适度的前提下，采用停暖时间比为30%的间歇供暖方式时，全楼的平均节能率最大不超过10%[1]。刘伟等人对分时供暖在高校类建筑中的节能率进行分析，结果表明，在室内控制温度与间歇周期不变的条件下，其节能率随室外温度的升高不断增加[2]。武伟通过数值模拟的方法，分析得到了在地板辐射间歇供暖条件下，达到室内要求温度所需的预热量和预热时间的关系[3]。亢燕铭等人的研究结果表明所有间歇供暖情况下的热指标均高于冬季连续供暖，室内蓄热体吸热散热过程对间歇供暖的能耗影响较大[4]。王舒寒等人研究了供暖时间比对间歇供暖房间能耗的影响[5]。

采用控制合理的间歇供暖系统，会有良好的节能效果，但其节能率及系统优化受到多种因素的影响。本文主要对房间在典型气象日的热过程进行计算分析，旨在满足居民热舒适要求的前提下，为减少供暖系统运行时间及运行负荷、实现节能的最大化提供指导。

1 热过程分析模型

1.1 间歇供暖房间热过程描述

建筑的供暖系统间歇运行时，供暖系统仅在一天中的部分时间开启。供暖系统间歇运行时，经历预热期、工作期和间歇期三个时期。

预热期的作用是室内空气温度在房间使用前达到室内设计供热温度。当房间处于工作期时，室内空气温度基本保持不变，温度值等于室内设计温度。处于间歇期时，即：供暖系统停止运行后，由于各种耗热量的存在，室内空气温度会逐渐下降，围护结构本身的蓄热性能使室内外温差仍然存在，围护结构对空气放热造成壁面温度下降；当供暖系统再次开启后，室内空气温度上升，围护结构重新从空气中吸收热量，温度上升。

在求解房间的逐时热负荷、室内空气温度等物理量时，需要建立房间围护结构内表面的热平衡方程和房间室内空气的热平衡方程，从而建立供暖房间的热过程分析数学模型，通过求解数学模型得到。

1.2 建立热平衡方程

对于围护结构的每一个内表面，都可以单独建立一个热平衡方程式。其各内表面的导热量、各内表面与室内空气的对流换热量、各内表面与其他表面的辐射换热量以及直接获得的辐射热量之和等于零。因此，对于第i 个表面而言，其n 时刻的热平衡方程式为

对于供暖房间，单位时间内室内空气中显热的增量等于围护结构各内表面与室内空气的对流换热量、直接对流的热量、空气渗透耗热量和供暖系统加热量之和，根据上述关系可列出室内空气的热平衡方程，表达式为：

1.3 间歇供暖房间的逐时热负荷

供暖系统间歇运行时，在工作期内，供暖系统给供暖房间提供热量，将室内空气温度维持在室内设计温度附近，此期间，供热量HA（供暖系统供给房间的热量）并不等于设计条件下该供暖房间的热负荷HL，工作期n 时刻的供热量HA 为：

由公式（3）可知，n 时刻供暖系统供热量HA(n)由该时刻供暖房间的热负荷HL(n)和蓄热负荷HS(n)这两部分组成。n时刻蓄热负荷的大小等于n时刻及之前因为室内空气温度变化而引起房间围护结构蓄热，并在n时刻向室内空气放热量的大小，表达式见式（4）：

式中负号表示围护结构从室内空气吸热；Δtr(n-j)表示（n-j）时刻室内空气温度变化值，即房间供热温度与室内空气温度之间的差值。

将公式（4）代入（3）可得房间n 时刻的供热量为：

2 热过程分析模型的验证

2.1 测试对象

如图1 所示，本文所选取的研究对象是某办公楼中的一个典型的房间，其周围房间和走廊均不提供供暖。该房间由一面朝北外墙、三面内墙和两面楼板组成，尺寸为3.4 m×3.4 m×6 m。窗为双层玻璃窗，其传热系数为3.5 W/(㎡·℃)，门的传热系数为2.5 W/(㎡·℃) 。房间外墙和内墙均由多孔砖层加两面石灰砂浆抹灰层组成。多孔砖厚度为240 mm，导热系数为0.58 W/(m·℃）；石灰砂浆厚度为20 mm，导热系数为0.81 W/(m·℃）。

图1 典型供暖房间示意图

2.2 计算参数

模拟计算分析所采用的外扰量为上海地区典型气象日室外温度，天气最低温度出现在6:00，2.15 ℃；最高温度出现在14:00左右，8.93 ℃。因外墙位于北面，故不考虑太阳辐照度。墙体外表面的对流换热系数为22.8 W/(m2·℃)。供暖房间不考虑人员照明及设备等的散热量，房间的换气次数为0.5次/h。

2.3 数据分析验证

在东西内墙、天花板和地面均布置两个热电偶和热通量传感器，房间内不同位置分布有5 个热电偶以测量室内空气温度，除此之外，左右两个相邻房间分别布置有两个热电偶用来测量邻室空气温度，走廊和室外分别布置有一个热电偶测量空气温度。将暖风机放置在房间地面的中央位置，每天上午8:00 开启暖风机，下午18:00 关闭暖风机，实验房间每天供暖时长为10 h，暖风机加热功率为1 500 W，连续五天，记录逐时室内空气温度、走廊温度、邻室温度和室外温度。

将实验记录的走廊温度、邻室温度和室外温度代入数学模型，选取所得结果中的最后两天的室内空气温度与实验值进行比较，结果见图2 用数学模型求解得到的室内空气温度和实测的室内空气温度随时间变化的曲线基本是一致的，从而验证了模型的准确性。

图2 实测值与模拟值对比

3 热过程模拟与分析

对房间进行间歇供暖时，室内设计温度为18 ℃，相邻房间的室温维持在10 ℃，走廊的空气温度维持在8 ℃。该房间从8:00 开始使用，18:00 供暖系统停止运行，其供暖系统从6:00到8:00有时长为2个小时的预热期，并在8:00时使房间空气温度达到18 ℃。

3.1 间歇供暖房间能耗分析

如图3所示，在预热期，供暖系统的逐时供热量为3 978 W，相当于房间连续供暖逐时热负荷最小值的2.5 倍。在工作期，间歇供暖逐时供热量随着运行时刻的增加而减小，最大为2 209 W，最小为1 781 W，波动幅度为428 W。由于墙体的蓄热作用，间歇供暖的逐时供热量均大于房间连续供暖热负荷，并且随着供暖时刻的增加，两者的差距逐渐减小。

图3 间歇供暖逐时供热量

供暖系统间歇运行的总供热量为全天供暖系统供热量的总和，包括预热期和工作期，其值为27 118 W·h，其中预热量为7 956 W·h。供暖系统连续运行的总供热量为全天各个时刻房间热负荷的总和，其值为39 363 W·h。相比较于供暖系统连续运行，供暖系统间歇运行的节能量为12 245 W·h，节能率为31.11%。

3.2 间歇供暖的供热量流向

间歇供暖的供热量一般有四个流向，一是通过各个围护结构传递到室外、邻室和走廊，二是储存在围护结构的各个墙体中，三是加热通过围护结构缝隙渗透进室内的空气，四是加热室内空气和家具。

如图4所示，在预热期，供热量中用于提高室温的热量最大，其次是墙体蓄热量。在工作期，墙体蓄热量逐渐减小，散到邻室的热量逐渐增大，而散到室外的热量先减小后增大，转折点出现在13:00，这是因为外墙外壁面温度的上升速度小于空气温度，在8:00到12:00时间内，外墙会从室外空气中吸收一部分热量，从而造成这段时间散到室外的热量减少。

图4 间歇供暖预热期和工作期逐时供热量流向情况

如图5所示，在这四个流向中，墙体蓄热量占到总供热量的37.06%，通过内围护结构散到邻室和走廊的热量，占总供热量的30.97%，其中散到邻室为25.83%，散到走廊为5.14%。通过外围护结构散到室外的热量为11.43%，在预热期用于提高空气温度的热量占总供热量的14.43%，加热通过围护结构缝隙渗透进室内空气的热量占比最少，为6.11%。

图5 间歇供暖预热期和工作期总供热量流向占比

3.3 围护结构各内表面温度分布

如图6所示，在间歇供暖的间歇期，由于房间没有供热量，室内空气温度会随之下降，墙体中蓄存的热量逐渐向周围环境释放，从而导致围护结构各内表面温度均呈缓慢下降趋势，其中，东内墙和西内墙的温度下降幅度大致相同，最大下降幅度约为2.57 ℃；屋顶和地面大致相同，最大下降幅度约为2.02 ℃。在预热期，房间内的供暖系统正常运行，室内空气温度持续上升，各围护结构内表面温度逐渐升高，东、西内墙在此期间的内表面温度上升幅度大于地面和屋顶，墙体开始蓄存热量。在工作期内，室内空气温度始终高于围护结构各内表面温度，墙体继续蓄存热量，围护结构各内表面温度均呈缓慢上升趋势。