公共建筑供暖房间动态热负荷及热环境研究★

高渊清，王 迪，王雪锦，崔玉芳，张淼晴

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 引言

公共建筑节能减碳是实现双碳目标两大战略的重要领域,寒冷地区公共建筑的供热能耗强度普遍较高,并由于建筑运营方式、气候条件等因素的差异,不同公共建筑供热能耗存在较大的差异,相同地区相同功能的公共建筑,单位面积供热能耗可能相差数倍。在国家能碳双控的目标下,随着可再生能源利用占比在公共建筑区域供热中逐渐增加,公共建筑区域供热必须由工况设计向过程设计转变,才能科学确定优化的设计方案和运行策略。

建筑围护结构的传热是很复杂的现象。房间通过围护结构后,无论是得热或失热,都是动态变化的,整个过程是一个非稳态传热过程。室外气象条件在整个时间过程中具有随机性,特别是当室内温湿度环境也呈随机性变化时,多采用反应系数法[1]。

特征温度法(以下称为CTM法)基于建筑能耗基因理论,是一种通过特征温度计算建筑空调采暖负荷与能耗的动态方法,它解释了房间(建筑)冷(热)负荷或能耗与其他各种因素的相互关系[2],已被大量实验验证了其可靠性,并已用于各种情形的建筑能耗研究[3-5]。

为了准确计算一个房间或一栋建筑的动热负荷,需要考虑到建筑和单个房间本身、时间、气象条件和人类使用的影响,其中人为因素是很随机的,综合各种可变的影响因素研究并利用更加精确的数学模型系统地计算处理综合影响下的负荷关系[6-16]。对于单个特征房间的供热需求计算,则必须考虑特征房间及周围相邻房间之间互相的影响[17-18]。

1 数学分析

由于邻室的传热对房间的能耗产生了影响,本文基于CTM法,分析在周六、日教师休息时,教师休息室无人而停止对该房间供暖时对隔壁相邻教室供热需求的影响。可结合气象条件、围护结构特性等预测教师休息室的特征温度,当时间足够长时,对于需要供暖的房间来说,由于房间内部各种热扰量趋于稳定值,这个稳定值便是该房间的特征温度t∞(见图1)。

在任意时刻,供暖房间室内空气总净得热量为：

Q1(τ)=
Qa+Q0+Qglass+Qp-Qair+Qe+Qs-Qx+Q1

(1)

其中,Q1(τ)为房间空气净得热量,W;Qa为邻室传入的热量,W,当邻室不供暖时,Qa为负值;Q0为外界传入的热量,W;Qglass为通过玻璃进入的太阳辐射热量,W;Qp为人体散热量,W;Qair为通过门窗从室外渗透空气带走的热量,W;Qe为室内设备散热量,W;Qs为照明设备散热量,W;Qx为围护结构的散热量,W;Q1为空调设备向房间供热量,W。

(2)

关于外墙围护结构传热的室外扰量分析,采用一个计算值,室外空气综合温度：由室外气温和太阳辐射强度共同作用下的一个综合温度。实际上室外综合温度是假设没有任何辐射作用下的理论空气温度,它对给定的外表面的热作用与在太阳辐射、大气长波辐射和空气温度共同作用下的热作用相同。

(3)

其中,tz为室外空气综合温度,℃;ta为室外空气温度,℃;qs为围护结构外表面所吸收的太阳直射辐射量和太阳散射辐射量之和,W/m2;qR为围护结构外表面所吸收的地面反射辐射量,W/m2;qe为夜间辐射(有效辐射),即围护结构外表面辐射量-地面与天空所吸收的辐射之和,W/m2;αa为围护结构外表面总换热系数,等于围护结构外表面对流换热系数与辐射换热系数之和,W/(m2·℃)。

通过大量研究,发现热传导函数系数和反应系数之间有很大的关系,两者之间关联紧密,通过反应系数的计算式可以求导出热传导的函数系数的计算式[19],在对围护结构进行传热计算时,围护结构的非稳态传热过程可作一维非稳态导热问题处理：主要求解两个偏微分方程：导热微分方程和傅里叶定律解析式。

(4)

反应系数法求解问题的基本思路为：将随时间连续变化的扰量曲线离散为按时间序列分布的单位扰量;再求解墙体热力系统对单元扰量的反应系数;最后利用求得反应系数通过叠加积分计算出结果。下式为墙体的传热反应系数Y(j)。

(5)

教学楼非承重外墙为250 mm厚的加气混凝土墙,内墙为200 mm厚的加气混凝土墙,根据陈友明教授《建筑围护结构非稳定传热分析的新方法》：基于表示理论的频域回归分析方法[20],得出两个墙体的传热反应系数Y(j)如表1所示。

由于各围护结构具有蓄热能力,扰量又在不断变化,因此,这些围护结构内表面热平衡方程式并非是简单的代数方程,而是一组微分方程。为了运算求解,可以直接应用传热和内外表面吸热反应系数解之,tz为室外空气综合温度,室内空气温度tr为定值,则围护结构的非稳态传热公式为：

(6)

表1 两个墙体的传热反应系数Y(j)

式(6)为教室室内空气通过外墙与室外空气进行的传热计算。

由以上公式,进一步得到单个房间的动态热负荷=房间各墙体的传热+窗户的传热+渗透与侵入冷风量-太阳通过窗户的辐射热-人、机、设备辐射热。

Q1=∑HG(n)iFi+K1F1(ta-tr)+

Qair-Qglass-Qp-Qe-Qs

(7)

2 结果分析

如图3,图4所示,选取供暖期的某周周六、日的各房间自然温度以及室外温度。由于室内走廊与外界接触较少,对外散失热量较少,所以温度曲线与其他房间相比,温度较高。而教师休息室两侧的教室,房间大小、结构、功能均一致,故两房间室内温度变化曲线较为接近。

通过计算分析,在同一楼层与教师休息室相邻的三个房间：教室1、教室2、走廊,在教师休息室有无供暖的情况下,逐时热负荷的变化。

通过图5—图7分析,当休息室无供暖时,相邻的周围供暖房间与休息室产生温差传热,进而使逐时热负荷增加。教室1逐时热负荷增加了0.08 kW～0.18 kW;教室2逐时热负荷增加了0.08 kW～0.16 kW;走廊逐时热负荷增加了0.41 kW～1.07 kW。

从图8,图9可知,在教师休息室停止供暖时,虽然周围房间会因为内墙两侧温度不同进行温差传热的影响,而使周围房间的逐时热负荷需求增大,但是差值远小于供暖时教室休息室的热负荷。且差值的变化曲线较为平缓,受到室外温度变化的影响较小,即室外温度处于极端值时,关闭建筑内一部分房间供暖,更加节能。

由于围护结构存在热惰性,这时无供暖下的休息室相对于相邻房间的意义,即相当于教室一面墙成为了内含空气夹层的墙体,室内热量通过这面墙时,热阻增大,传到室外的热量变少。即在休息室停止供暖时比供暖时减少了0.57 kW～2.17 kW供热能耗。

3 结论

本文基于反应系数法原理与特征温度法,研究了邻室有无供暖时对相邻房间的影响以及对总负荷的影响。

当供暖房间的邻室因特殊情况不供暖时,因邻室传热的作用对原本房间的逐时热负荷造成了一定的影响,但是并未造成热负荷较大的增长。反而因适当对特定房间停止供暖,而使总能耗降低。并且因为图9差值的变化曲线较为平缓,受到室外温度变化的影响较小,即室外温度处于极端值时,关闭建筑内一部分房间供暖,更加节能。

若休息室不供暖时,不增加周围邻室的热负荷,各房间产生的温度波动(下降的温度)小于0.01 ℃,不会对室内热环境产生较大的影响。

本研究运用到实际建筑中,可进一步为建筑动态热负荷逐室调控提供理论及实践参考。