分戶熱計(jì)量地板供暖系統(tǒng)房間位置對(duì)室溫及耗熱量影響的研究

孫春華，趙紅霞，夏國(guó)強(qiáng)，朱宇光

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，供暖向智能化、信息化、自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變，室內(nèi)溫度作為供熱系統(tǒng)的基本信息之一，是供熱效果直觀反饋的主要參數(shù).建筑中需要環(huán)控的最小空間單元為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)房間，房間被認(rèn)定為研究建筑能耗的最小空間單元，稱為建筑能耗結(jié)構(gòu)基因，即基因房間[1].假定每個(gè)熱用戶的各房間相通，即每個(gè)熱用戶可看作一個(gè)基因房間.在眾多室內(nèi)環(huán)境要素中，室內(nèi)空氣溫度是最重要的環(huán)境要素，空氣溫度對(duì)人的舒適感影響最為顯著.建筑能耗是各個(gè)時(shí)刻能耗在時(shí)間上的累計(jì)結(jié)果，它具有時(shí)間遺傳特性[2].使用供暖設(shè)備進(jìn)行溫控的基因房間，其內(nèi)部空氣在各種因素的綜合作用下，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，基因房間的室溫將趨于穩(wěn)定，因此室內(nèi)溫度代表了歷史供熱效果.基因房間處于建筑中的位置不同，其實(shí)際室溫與期望室溫偏差不同.如何將采集上來的成千上萬的基金房間室溫或者測(cè)試哪個(gè)典型位置基因房間的室溫作為建筑供暖代表溫度，來體現(xiàn)系統(tǒng)的供熱效果，進(jìn)而作為反饋值修正供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控目標(biāo)，值得進(jìn)一步研究。因而本文主要研究基因房間在不同位置時(shí)，室溫及耗熱量的影響因素和變化規(guī)律，為進(jìn)一步確定建筑供暖代表溫度做基礎(chǔ).

1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究對(duì)象

建筑的特征包括建筑層數(shù)、建筑朝向、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、建筑的外型、用戶數(shù)量以及入住率.因目前大部分北方熱計(jì)量居住建筑都是2000年以后竣工并且建筑外型一致，幾乎均是節(jié)能建筑；坐北朝南是北方居住建筑的特點(diǎn)；由于戶間傳熱的存在入住率低的建筑基因房間的單位面積耗熱量差異過大，且室溫偏差可能較大；目前的新建建筑一梯兩戶的戶型居多.根據(jù)以上的特征選定的具有代表性建筑是石家莊某小區(qū)一棟18層、坐北朝南、入住率很高且是一梯兩戶的節(jié)能建筑，建筑的詳細(xì)信息見表1[3].

表1 建筑詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Architectural detail parameters

1.2 采集數(shù)據(jù)來源

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要有室內(nèi)外逐時(shí)空氣溫度、用戶日耗熱量和熱力入口的供回水溫度，主要設(shè)備是通斷時(shí)間面積法熱分?jǐn)偧夹g(shù)的熱計(jì)量裝置和溫度記錄設(shè)備[4].

1.2.1 室溫控制器

安裝于用戶室內(nèi)的測(cè)溫和通訊裝置，其型號(hào)為GWK-LW/D（河北工大科雅能源科技股份有限公司），用于測(cè)量、顯示和設(shè)定房間溫度，并能夠以通信方式控制通斷控制器工作的裝置.同一分?jǐn)傁到y(tǒng)內(nèi)，室溫控制器安裝位置應(yīng)相對(duì)統(tǒng)一，安裝在起居室靠近室內(nèi)中心位置且距室內(nèi)地面高度為1 m的墻上.

1.2.2 通斷控制器

設(shè)置于共用管井中的入戶供暖管道上，能夠接受室溫控制器的信息，通過閥門全開全關(guān)動(dòng)作控制入戶供暖水量，并以通信方式傳輸和記錄閥門通斷時(shí)間的電驅(qū)動(dòng)調(diào)控部件.

通過耗熱量管理軟件得到該建筑各基因房間在2015年11月15日—2016年3月15日整個(gè)供暖季中的逐時(shí)室內(nèi)外空氣溫度和逐天耗熱量，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除與補(bǔ)充，然后將各基因房間的逐時(shí)室內(nèi)外空氣溫度積分平均得到逐天室內(nèi)外空氣溫度.

2 研究理論方法

建筑熱惰性對(duì)建筑能耗有一定的影響，若建筑保溫性能好，則室外空氣溫度對(duì)基因房間的耗熱量影響小，反之則影響較大，因此室外空氣溫度對(duì)耗熱量的影響可以體現(xiàn)在房間的熱惰性.室內(nèi)空氣溫度的高低也體現(xiàn)了基因房間的供熱效果，因此通過SPSS軟件對(duì)各基因房間的逐天單位面積耗熱量與逐天室內(nèi)外溫度進(jìn)行二元線性擬合得到耗熱量關(guān)系式[5].所有基因房間擬合的相關(guān)系數(shù)R2在0.93以上的達(dá)到90%，因此可信度較高.擬合得到室外溫度系數(shù)與室內(nèi)溫度系數(shù)，建立二元線性回歸[6]數(shù)學(xué)模型如下

式中：q為各基因房間的逐天單位面積耗熱量，kWh；β1，β2為系數(shù)；tw為逐天室外溫度，℃；tn為逐天基因房間室溫，℃.

其中tn=20℃.

居住建筑室溫為20℃時(shí)，人才會(huì)感到比較舒適，同時(shí)也符合節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)，室溫20℃也是最佳敏感度[7]的溫度.由式（2）求得的值反映室內(nèi)溫度對(duì)耗熱量的影響，為了方便比較各房間室內(nèi)溫度對(duì)耗熱量的影響，需要對(duì)整個(gè)采暖季求累計(jì)平均值，得到每個(gè)基因房間在整個(gè)采暖季的值，然后采用歸一法對(duì)各基因房間的值進(jìn)行處理，公式為

式中n為基因房間數(shù)量.

得到值的大小代表了室溫對(duì)耗熱量影響的大小，值越大則耗熱量受室溫因素影響越大，值越小則耗熱量受非室溫因素影響越大，非室溫因素主要包括室外溫度及戶間傳熱[8].且值越大，基因房間溫度對(duì)整個(gè)建筑影響的貢獻(xiàn)越大.

3 基因房間位置對(duì)室溫及耗熱量影響

3.1 不同位置基因房間對(duì)建筑供熱反饋室溫的影響

在該建筑中選取基因房間1與基因房間2為研究對(duì)象，在表2中列出了研究對(duì)象在該建筑中的位置及與其相鄰上、下側(cè)基因房間的位置及名稱.在該建筑中，有山墻的基因房間1位于建筑外側(cè)，無山墻的基因房間2位于建筑內(nèi)側(cè).基因房間3、4分別位于基因房間1、2的相鄰下側(cè)，基因房間5、6分別位于基因房間1、2的相鄰上側(cè)[9].

表2 研究對(duì)象的α值及相鄰房間的位置Tab.2 The α value of the research object and the location of the adjacent room

為使研究對(duì)象不受戶間傳熱的影響，需保證研究對(duì)象相鄰?fù)瑐?cè)的基因房間室溫具有相似性.研究對(duì)象相鄰下側(cè)基因房間3與基因房間4的室溫偏差在±8%以內(nèi)，相鄰上側(cè)基因房間5與基因房間6的室溫偏差也在±5%以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上可以保證研究結(jié)果不會(huì)受到戶間傳熱的影響.由式（3）求得基因房間1的α值為1.104，基因房間2的α值為1.120，可以看出處于內(nèi)側(cè)基因房間的α值大于外側(cè)，即內(nèi)側(cè)基因房間2對(duì)該建筑室溫影響的貢獻(xiàn)大于外側(cè)基因房間1.

圖1、圖2分別列出了該建筑中與研究對(duì)象具有相似特征的基因房間的α值.在不受戶間傳熱、屋頂耗熱及底層傳熱影響的條件下，處于外側(cè)基因房間的α值均小于內(nèi)側(cè)基因房間.處于內(nèi)側(cè)基因房間的耗熱量受室溫因素影響較大，對(duì)整棟建筑溫度影響的貢獻(xiàn)也大于外側(cè)基因房間，這就為進(jìn)一步研究整棟建筑的供熱反饋室內(nèi)溫度奠定了基礎(chǔ).

圖1 1單元101（外側(cè)）、102（內(nèi)側(cè)） 的α值Fig.1 The α value of 1 unit 101 （outside） and 102 （inside）

圖2 3單元101（內(nèi)側(cè)）、102（外側(cè)） 的α值Fig.2 The α value of 3 unit 101 （inside） and 102 （outside）

3.2 非供暖房間對(duì)相鄰基因房間室溫影響分析

供暖住宅用戶在供暖期間由于未入住或其他原因而未繳納熱費(fèi)，物業(yè)公司被迫將其停熱，導(dǎo)致相鄰房間有溫差，則戶間會(huì)有熱量的傳遞.高層住宅由于戶間隔墻面積小，理論上主要是地板傳熱，該建筑樓板構(gòu)造如圖3所示.

在該建筑的非供暖房間中選取與非供暖基因房間a相鄰的兩個(gè)基因房間為研究對(duì)象，分別為位于基因房間a相鄰下側(cè)的基因房間b，相鄰上側(cè)的基因房間c.研究對(duì)象在該建筑中的位置、名稱以及詳細(xì)信息見表3.

若兩個(gè)基因房間同時(shí)達(dá)到期望室溫20℃時(shí)，在整個(gè)采暖季中基因房間b需要的耗熱量都要大于基因房間c，結(jié)果如圖4所示.基因房間b的α值小于基因房間c，如表3所示.由此可知，基因房間b受非室溫因素影響較大，又由于基因房間b位于該建筑內(nèi)側(cè)，因此其α值較小是由相鄰非供暖房間a的戶間傳熱造成的.

圖3 建筑樓板構(gòu)造Fig.3 Building floor construction

表3 研究對(duì)象房間的詳細(xì)參數(shù)Tab.3 The detailed parameters of the object of study room

圖4 tn=20℃時(shí)房間b、房間c逐天單位面積擬合耗熱量Fig.4 tn=20℃，per unit area fitting heat consumption by day of room b and room c

圖5 房間b、房間c室溫及供回水溫度Fig.5 Indoor temperature and temperatures of water supply&return of room b and room c

基因房間b、c在整個(gè)供暖季中的室溫及供回水溫度的規(guī)律如圖5所示.在整個(gè)供暖季中基因房間b的室溫始終低于基因房間c，且整個(gè)供暖季的室內(nèi)均溫比基因房間c要低約2℃，即基因房間c所需要的耗熱量要大于基因房間b.然而，在兩個(gè)基因房間供水溫度相似的前提下，基因房間b的回水溫度卻低于基因房間c.可見，在整個(gè)供暖季基因房間b的耗熱量大于基因房間c，即基因房間b為維持熱用戶需要的舒適環(huán)境需要消耗更多的耗熱量，而比基因房間c多出的耗熱量則通過戶間傳熱傳向與其相鄰的非供暖房間a.綜合上述，當(dāng)某一基因房間不供暖時(shí)，對(duì)相鄰樓下的基因房間影響較大，相鄰樓上的基因房間影響較小.在實(shí)際應(yīng)用過程中，若由于入住率低的原因?qū)е碌匕迮療嵊脩糁心骋蛔羰覝匾恢陛^低，建議熱力公司將相鄰樓上非供暖住戶的閥門打開，而非相鄰樓下住戶.

為了進(jìn)一步說明上述結(jié)論，將該建筑中與研究對(duì)象具有相似特征的基因房間的α值列于圖6中.觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，與非供暖基因房間相鄰的下側(cè)基因房間的α值均小于上側(cè)，即下側(cè)房間受非室溫因素即戶間傳熱影響較大.若基因房間位于非供暖房間相鄰下側(cè)，其α值較小，對(duì)整棟建筑溫度影響的貢獻(xiàn)小于其他基因房間，則在接下來建筑代表供暖溫度的研究中需將其單獨(dú)考慮.

3.3 相鄰兩側(cè)均為非供暖房間的室溫及耗熱量分析

選取基因房間d與基因房間e為研究對(duì)象，兩個(gè)研究對(duì)象均位于該建筑的3單元16層.其中基因房間d位于該建筑內(nèi)側(cè)，且與其相鄰的上、下兩側(cè)房間在整個(gè)供暖期均未供暖，基因房間e位于該建筑外側(cè)，與其相鄰的上、下兩側(cè)房間均正常供暖且能達(dá)到熱用戶舒適要求，研究對(duì)象的詳細(xì)參數(shù)見表4.

若按上述結(jié)論，假使基因房間d與基因房間e同時(shí)滿足室溫為20℃，則處于建筑內(nèi)側(cè)的基因房間d所需要的耗熱量要小于基因房間e.而觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)基因房間的室溫同時(shí)達(dá)到20℃時(shí)，基因房間d的耗熱量卻大于基因房間e.

基因房間d、e在整個(gè)供暖季中的室溫及供回水溫度的規(guī)律如圖8所示.在整個(gè)供暖季中基因房間d的室溫始終低于基因房間e，在供水溫度相差較小的情況下，基因房間d的回水溫度在大部分時(shí)間均小于基因房間e，可見基因房間d得到的耗熱量大于基因房間e，而達(dá)到的室溫卻低于基因房間e.由表4知，基因房間d的α值為1.093，小于基因房間e.綜上所述，基因房間d受非室溫因素即戶間傳熱的影響較大，通過戶間傳熱向相鄰兩個(gè)非供暖房間傳遞熱量.在研究建筑代表供暖溫度時(shí)需將與研究對(duì)象類似的基因房間單獨(dú)考慮.

圖6 與非供暖房間相鄰住戶的α值Fig.6 The α value of The nonheating and adjacent residents

表4 研究對(duì)象房間的詳細(xì)參數(shù)Tab.4 The detailed parameters of the object of study room

圖7 tn=20℃時(shí)房間d、房間e逐天單位面積擬合耗熱量Fig.7 tn=20℃，per unit area fitting heat consumption by day of room d and room e

圖8 房間d、房間e室溫及供回水溫度Fig.8 Indoor temperature and temperatures of water supply&return of room d and room e

4 結(jié)論

1）處于建筑內(nèi)側(cè)基因房間的α值大于外側(cè)基因房間，即內(nèi)側(cè)基因房間的室溫對(duì)整個(gè)建筑的供暖代表溫度影響較大，而處于建筑外圍的基因房間影響程度相對(duì)較小.

2）與非供暖房間相鄰的兩個(gè)基因房間中，下側(cè)基因房間受非室溫因素即戶間傳熱的影響較大.因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，若由于入住率低的原因?qū)е碌匕骞┡療嵊脩糁心骋蛔羰覝匾恢陛^低，建議熱力公司將相鄰樓上非供暖住戶的閥門打開，而非相鄰樓下非供暖住戶.

3）供暖建筑中，若房間上、下兩側(cè)均為非供暖房間，則需要更多的耗熱量才能維持期望的室內(nèi)溫度.且這類房間在研究建筑代表供暖溫度時(shí)需單獨(dú)考慮.

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