蓄熱量對局部時段供暖房間能耗影響的實測與分析

袁浩波， 鐘　珂， 袁麗婷， 劉加平

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院， 陜西 西安 710055)

蓄熱量對局部時段供暖房間能耗影響的實測與分析

袁浩波1， 鐘珂1， 袁麗婷1， 劉加平2

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院， 陜西 西安 710055)

冬冷夏熱地區(qū)為非集中供暖區(qū)域，局部時段供暖是該地區(qū)典型的冬季采暖行為特征，這導(dǎo)致家具等蓄熱體在供暖時間內(nèi)處于不穩(wěn)態(tài)傳熱過程，蓄熱量會影響到室內(nèi)升溫速率和能耗指標(biāo).在人工氣候室內(nèi)對不同蓄熱量房間的能耗指標(biāo)隨供暖時間的變化特征進行了實測分析.結(jié)果表明，由于蓄熱體在供暖過程中吸收和儲存熱量，房間蓄熱量會大幅度增加短時間供暖房間的能耗指標(biāo)，隨著供暖時間的延長，能耗指標(biāo)逐步下降.房間蓄熱量和室內(nèi)外溫差越大，隨供暖時間延長則能耗指標(biāo)下降越緩慢.此外，蓄熱量較大時,室內(nèi)氣溫將難以在短時間內(nèi)控制到滿足人體熱舒適需要的范圍.

供暖時長； 蓄熱量； 室內(nèi)外溫差； 能耗指標(biāo)； 供暖能耗

我國冬冷夏熱地區(qū)冬季持續(xù)時間雖比北方地區(qū)短，但氣候同樣寒冷.由于這一地區(qū)的建筑外圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較差，根據(jù)我國相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和地域性習(xí)慣，通常并不設(shè)置集中供暖系統(tǒng)，故冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡劣.文獻[1]對上海冬季非供暖房間的熱環(huán)境進行了持續(xù)2個月的實測，結(jié)果表明，該地區(qū)冬季室內(nèi)熱環(huán)境遠(yuǎn)離人體健康和舒適要求的區(qū)間.冬冷夏熱地區(qū)冬季室內(nèi)熱環(huán)境的改善措施多為個人行為，具有明顯的“局部空間，局部時段”的特征[2].在很多情況下，供暖持續(xù)時間很短，有時甚至不足1h，室內(nèi)傳熱尚處于不穩(wěn)態(tài)過程.在這種情況下，供暖能量不僅被用于加熱室內(nèi)空氣，還有相當(dāng)一部分用于加熱家具等蓄熱體.室內(nèi)蓄熱量越大，相同溫升所需要的能耗越高，導(dǎo)致供暖能耗很大程度上受室內(nèi)蓄熱量的影響.

關(guān)于居住建筑供暖能耗的研究雖已有很多[3-7]，但這些研究大多數(shù)是針對長時間持續(xù)供暖，室內(nèi)氣溫和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部基本上處于穩(wěn)定情況展開的.家具等蓄熱體對短時間供暖能耗的影響效果則少有人研究.針對冬冷夏熱地區(qū)居住類建筑冬季采暖行為特點，為了得到不同室內(nèi)蓄熱量時的供暖能耗特征，本文在人工氣候室內(nèi)，對熱風(fēng)供暖房間空氣溫度和能耗進行了實測，分析對比了不同供暖時長和蓄熱量條件下的能耗情況.

1　實測環(huán)境與方法

實測以上海地區(qū)為例，在人工氣候室內(nèi)分別模擬室內(nèi)無家具、有家具和家具蓄熱量加倍等情況，就室內(nèi)外代表性溫差條件對室內(nèi)空氣溫度、壁面溫度和能耗進行實驗研究.

人工氣候室位于一大實驗室內(nèi)，具體位置見圖1(a).氣候室內(nèi)空間尺寸為長×寬×高=3.6 m×3.0 m× 2.6 m，房間的圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)為彩鋼板，內(nèi)壁面厚度為1.0 mm不銹鋼板，中間為7 cm厚巖棉板，墻體實際傳熱系數(shù)為0.9 W/(m2·℃).房間有一扇帶有密封條的平開門，門上設(shè)有0.35 m×0.35 m的雙層玻璃的觀察窗.故可以認(rèn)為熱負(fù)荷均勻來自圍護結(jié)構(gòu)，不存在明顯的熱橋.

氣候室門的上方墻壁設(shè)有一個0.1 m×0.3 m的通風(fēng)口，上設(shè)余壓閥.實測中將余壓閥開啟形成通風(fēng)口，通過該通風(fēng)口形成冷風(fēng)滲透進入室內(nèi).為保證每個工況冷風(fēng)滲透量基本相等，實驗中采用小風(fēng)機通過該通風(fēng)口送入室外空氣，模擬換氣次數(shù)為1次/h 的冷風(fēng)滲透量.

(a) 人工氣候室平面布置

(b) 測量桿的平面位置

(c) 測點的高度設(shè)置圖1　人工氣候室位置及室內(nèi)測點布置(單位：mm)Fig.1　Location of the artificial climate chamber and the arrangement of measuring points indoor(unit:mm)

在常溫下，常用木纖維板家具和水的熱擴散率分別為3.69×10-11和3.44×10-11m2/s.為模擬供暖房間內(nèi)家具陳設(shè)等的蓄熱能力對熱環(huán)境和供暖能耗的影響，實驗中在人工氣候室內(nèi)分別放置20桶或40桶純凈水(每桶水的蓄熱量大約為75.6 kJ)， 模擬室內(nèi)有家具蓄熱體和家具蓄熱量加倍的情況.

人工氣候室內(nèi)放置了4個可移動的參數(shù)測桿，每個桿的不同高度處固定溫度測量儀.圖1(b)和1(c) 分別給出了測量桿的平面位置和測點高度.空氣溫度的測量采用Humlog-20型溫度儀，分辨度為0.1℃.由圖1(c)可知，測桿上空氣溫度感溫件設(shè)在長方體塑料外殼中，溫度感溫件外表面覆蓋著鋁箔錫紙，并且塑料外殼上設(shè)有百葉小風(fēng)口，既可以與外界空氣形成對流，又可以避免因輻射而帶來的測量偏差.用Delta OHM (HD32.7 RTD DATALOGGER)測量圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，人工氣候室自帶熱電偶測量蓄熱體表面溫度，并用保溫棉覆蓋所有表面溫度的測點，以保證對固體表面溫度的測量不受周圍空氣溫度的影響.利用接在暖風(fēng)機上的電度表測量供暖能耗.針對不同室內(nèi)外溫差，共進行了6種工況的實測，相關(guān)參數(shù)如表1所示.

采用供暖功率為1 100 W的暖風(fēng)機對房間供暖.使用固定供暖功率間歇供暖的方式，即當(dāng)室內(nèi)氣溫高于設(shè)定溫度1℃時，停止供暖，低于1℃時，開始供暖.每個工況的持續(xù)時間約為9h.實驗過程中，分別維持氣候室內(nèi)外溫差為(15±1)℃和(8±1)℃.

表1　實驗工況及參數(shù)Table 1　Experimental conditions and parameters

2　實測結(jié)果與分析

冬季供暖房間的室內(nèi)氣流速度通常很低，同時，相對濕度也不在供暖措施控制范圍內(nèi)，因此，空氣溫度和固體表面溫度成為影響人體熱舒適的主要因素.

2.1室內(nèi)溫度變化的實測結(jié)果

在6種工況下位于房間中心位置的測桿2上的7個測點過余溫度θ的平均值隨供暖時間τ的變化曲線如圖2所示.這里，房間過余溫度θ為室內(nèi)空氣溫度與室外氣溫的差值.

圖2　測桿2上7個測點平均過余溫度實測曲線Fig.2　The measured curves of seven measuring points average surplus temperature on rod 2

由于用于加熱蓄熱體的熱量隨著蓄熱量的增大而增大，因此，由圖2可以看到，在一定的供暖功率下，房間蓄熱量越大，室內(nèi)空氣溫度上升越緩慢.室內(nèi)外溫差較大時，室內(nèi)氣溫上升速率明顯小于室內(nèi)外溫差小的情況，這是因為較大的房間熱損失導(dǎo)致用于加熱空氣的熱量比例減小.

比較圖2中不同蓄熱量情況時暖風(fēng)機運行時間，可以看到，房間蓄熱量越小，暖風(fēng)機啟停越頻繁，

且運行時長與暫停時長基本相當(dāng)；而蓄熱量較大時，由于蓄熱體不斷吸收熱量，暖風(fēng)機運行時長在供暖初期明顯大于暫停時長.

冬冷夏熱地區(qū)居住建筑供暖的重要特征之一是供暖區(qū)域隨人員移動而改變，因此，室溫完全升至舒適值所需要的時間τ0也是評價房間舒適性的主要指標(biāo).表2給出了每種試驗工況的τ0.

表2　不同工況條件下室溫完全升至舒適值所需要的時間τ0Table 2　The timeτ0required when room temperature reaches comfort value completely under different working conditions

由表2可以看到，無論室內(nèi)外溫差如何，τ0均隨著家具蓄熱量增大而增加，但其增加幅度受室內(nèi)外溫差的影響非常大.房間每增加20×75.6 kJ的蓄熱量，室內(nèi)外溫差較大時，τ0大約延長120 min；而在室內(nèi)外溫差較小時，τ0僅延長10～15 min.可以認(rèn)為，在熱損失較大房間，較大的蓄熱量將導(dǎo)致短時間供暖房間舒適性下降.

當(dāng)室內(nèi)蓄熱量Q= 20×75.6 kJ時，測桿4的平均空氣過余溫度和其附近墻體內(nèi)表面的過余溫度隨時間變化曲線如圖3所示.

圖3　測桿4平均空氣過余溫度與附近壁面表面過余溫度隨時間的變化曲線Fig.3　Variation curves of average air surplus temperature of rod 4 and the nearest wall surface surplus temperature

由圖3可見，由于人工氣候室圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面為不銹鋼材質(zhì)，其熱擴散率很大.因此，墻體表面溫度與附近空氣溫度變化節(jié)奏完全一致.無論室內(nèi)外溫差如何，這種一致性都不受家具蓄熱量的影響.由圖3還可以看到，間歇供暖的過程中，在墻壁蓄熱性能的作用下，壁面溫度上升過程和下降過程都比附近空氣溫度緩慢，由此可見，墻壁的蓄熱性能起到一定的穩(wěn)定室溫的作用.

為考察不同工況下房間下部區(qū)域蓄熱體附近氣溫情況變化特點，圖4給出了測桿3上7號測點及其附近蓄熱體表面的過余溫度的實測曲線.

(a) Δt=15℃

(b) Δt=8℃圖4　測桿3上7號測點及其附近蓄熱體表面的過余溫度的實測曲線Fig.4　The measured curves of rod 3 No.7 measuring point air surplus temperature and the nearest regenerator surface surplus temperature

由圖4可以看到，與圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度的變化特征不同，蓄熱體表面溫度上升速度遠(yuǎn)低于空氣溫度.這是因為圍護結(jié)構(gòu)的熱擴散率很大，而蓄熱體模擬家具蓄熱情況，熱擴散率很小，故兩者溫度上升速度相差明顯.隨著供暖時間的持續(xù)，蓄熱體表面溫度將逐步接近空氣溫度，表明在實測時間范圍內(nèi)，蓄熱體一直在吸收并儲存熱量，而這部分熱量對實現(xiàn)人體熱舒適無明顯作用.

2.2不同供暖時長的平均能耗分析

由于房間內(nèi)蓄熱體的存在，大量供暖能量用于加熱蓄熱體，使得室內(nèi)空氣溫升緩慢，暖風(fēng)機連續(xù)運行時間加長.因此，在供暖功率一定的情況下，暖風(fēng)機運行和暫停時間將決定最終供暖能耗.在不同工況下暖風(fēng)機運行時間和暫停時間隨供暖時間變化實測結(jié)果如圖5所示.

(a) 運行時間

(b) 暫停時間圖5　在不同工況下暖風(fēng)機運行和暫停時間隨供暖時間的變化圖Fig.5　The graph of the heating and pausing time changing over heating time under different working conditions

由圖5可知，由于室內(nèi)蓄熱體溫度隨供暖時間延長逐漸升高，因此所有實測工況下的供暖暫停時間都隨著供暖時間的延長而增大，而加熱時間則減小.此外，由圖5還可以看到，房間蓄熱量越大，加熱時間越長，暫停時間便越短.這種特征在供暖初始階段最明顯，但隨著供暖的持續(xù)，這一特征會逐步減弱.

圖6為房間供暖能耗隨供暖時間的變化曲線.由圖6可以看到，由于蓄熱體耗費了大量熱量，在蓄熱量大的工況下供暖能耗隨時間的延長一直快速上升，而在蓄熱量小的工況下能耗僅在供暖初始階段較快上升.這表明，隨著供暖時間的延長，不同蓄熱量工況下單位時間內(nèi)供暖能耗將有所不同.

圖6　不同工況下耗電量隨供暖時間變化曲線Fig.6　The curves of the power consumption changing over the heating time under different working conditions

由圖6的實測還表明，室內(nèi)外溫差較大(Δt= 15℃)時，工況5(Q=20×75.6 kJ)與蓄熱量加倍時的能耗增長曲線在初期非常接近，但室內(nèi)外溫差較小(Δt= 8℃)時，兩者的能耗曲線有明顯區(qū)別.這可能是因為房間熱損失越大，用于加熱空氣和固體表面的熱量越少，于是暖風(fēng)機運行時間將延長，最終導(dǎo)致兩種蓄熱量房間都出現(xiàn)了暖風(fēng)機暫停時間相對運行時間可以忽略不計的情況，即能耗幾乎都呈直線上升.

此外，由圖6還可知，室內(nèi)外溫差較小(Δt= 8℃) 時，工況3(Q=40×75.6 kJ)的能耗甚至在任何時刻都高于工況4(Δt= 15℃，Q= 0 kJ)的情況，這表明蓄熱量對短時間供暖房間能耗的影響有可能大于室內(nèi)外溫差的作用.

上述分析表明，局部時段供暖時能耗受到供暖時間的影響.冬冷夏熱地區(qū)供暖行為特征可能使房間供暖時長在很大范圍內(nèi)變化.為了比較不同供暖時間對應(yīng)的能耗情況，圖7分別給出了能耗指標(biāo)ε(即單位時間單位建筑使用面積的供暖能耗)隨著供暖時間的變化曲線和不同供暖時間內(nèi)室內(nèi)空氣平均溫度與室外氣溫的差值Δti間的關(guān)系實測結(jié)果.

(a) 能耗指標(biāo)

(b) 室內(nèi)的平均氣溫與室外氣溫差Δt變化圖7　不同工況下能耗指標(biāo)與Δt隨著供暖時間的變化曲線Fig.7　The curves of the energy consumption index and Δt changing over heating time under different working conditions

設(shè)非連續(xù)供暖建筑的供暖初始溫度通常比室外氣溫高3～6℃.為此，圖7在計算能耗指標(biāo)ε時，起始時刻定義為室內(nèi)氣溫被加熱至低于舒適溫度9℃(室內(nèi)外溫差較大時)和5℃(室內(nèi)外溫差較小時)的時刻.

由圖7(a)可以看到，所有工況下能耗指標(biāo)ε隨著供暖時間的延長而下降.供暖時間短至1 h時，不同家具蓄熱量房間的供暖能耗差別不大，這是因為供暖初期所有固體表面溫度都很低，需要用于加熱固體表面的熱量在3種家具蓄熱量情況下差別不大.但圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上升至舒適溫度后，家具蓄熱量大的房間由于需要大量熱量加熱蓄熱體，能耗指標(biāo)下降緩慢，并開始明顯高于蓄熱量較小的房間，并且這種差別隨著供暖時間的延長而增大.只有當(dāng)蓄熱體溫度完全升至舒適溫度時，蓄熱量對能耗指標(biāo)ε的影響才會逐漸減小，然而圖4的蓄熱體表面溫度實測結(jié)果表明，在本文的實測時間長度(約9 h)內(nèi)尚未到達這種狀態(tài).但由室內(nèi)外溫差較小時的能耗指標(biāo)ε變化情況可以看到這種趨勢，即不同蓄熱量房間的能耗指標(biāo)的差值隨著供暖延續(xù)增大至一定程度后，又出現(xiàn)減小的趨勢.

由圖7還可以看到，供暖時間較短時，蓄熱量大的房間不僅能耗指標(biāo)高，而且室內(nèi)平均氣溫也偏離舒適溫度較遠(yuǎn)，室內(nèi)外溫差越大，這種現(xiàn)象越明顯.因此，在局部時段供暖的房間中，過大的家具蓄熱量可能成為供暖房間高能耗和低舒適度的主要原因.

3　結(jié)　語

在冬冷夏熱地區(qū)非集中供暖建筑中，供暖區(qū)域隨著人員移動而改變，僅持續(xù)1～2 h的供暖時間很常見.供暖能量在提高室內(nèi)空氣溫度的同時也在加熱家具等蓄熱體，故室內(nèi)蓄熱量將影響到局部時段供暖房間的能耗指標(biāo).本文在人工氣候室內(nèi)，對不同蓄熱量工況的能耗指標(biāo)隨著供暖時間變化的特征進行了實測分析，主要結(jié)論如下：

(1) 由于實測房間壁面材料的導(dǎo)溫系數(shù)遠(yuǎn)大于實驗用蓄熱體(類似家具)，因此，在供暖過程中，前者溫度與氣溫同步變化，而后者溫度始終低于氣溫.表明墻體壁面材料蓄熱性能僅在供暖初期影響能耗，而家具等蓄熱體在局部供暖時間內(nèi)一直處于不穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)，并持續(xù)吸收和儲存熱量，這將大幅度提高短時間供暖房間的能耗指標(biāo).室內(nèi)外溫差越大，能耗指標(biāo)增大幅度亦越大.

(2) 房間內(nèi)蓄熱體升溫過程占用了部分供暖能耗，用于加熱空氣的熱量隨著蓄熱量和室內(nèi)外溫差的增大而減小.因此，局部時段供暖的房間中，室內(nèi)氣溫達到舒適溫度的時間隨著蓄熱量的增大而增大，室內(nèi)外溫差越大，這種現(xiàn)象也將越明顯.

(3) 由于局部供暖時段房間處于不穩(wěn)態(tài)傳熱過程，不論室內(nèi)蓄熱量如何，能耗指標(biāo)都隨著供暖時間的延長而減小.房間蓄熱量和室內(nèi)外溫差越大，能耗指標(biāo)隨供暖時間延長的下降速率越緩慢.

根據(jù)以上結(jié)論可知，為提高短時間供暖房間節(jié)能效果，應(yīng)減小室內(nèi)蓄熱量.對于墻體蓄熱量大于室內(nèi)家具陳設(shè)蓄熱量的情況，可以將圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計為內(nèi)保溫形式，避免墻體材料成為室內(nèi)蓄熱體；另外，由于輻射供暖方式下用于加熱蓄熱體的熱量大于熱風(fēng)供暖方式，因此短時間供暖房間盡可能避免輻射供暖.

[1] 呂靜.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)化研究[D].上海：東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2003.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 13422001夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001.

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[7] 王昭俊.夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能住宅研究[J].暖通空調(diào)，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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278094)；上海市教委科技創(chuàng)新重點資助項目(13ZZ054)

袁浩波(1990—)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為室內(nèi)空氣品質(zhì).E-mail: yuanhaobo0502@126.com

鐘珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 832.1

A