夏熱冬冷地區(qū)間歇供暖房間動態(tài)熱特性研究

王智德 熊 樂 于國清

上海理工大學(xué)

0 引言

我國的夏熱冬冷地區(qū)主要包括長江中下游及其周圍地區(qū)，該地區(qū)氣候特征總體表現(xiàn)為夏季悶熱，冬季陰冷。該地區(qū)年降水量大，日照偏少，不屬于集中供暖地區(qū)，居民多采用自主式間歇供暖作為該地區(qū)冬季的主要供暖方式。

國內(nèi)外一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析等手段，對房間間歇供暖的熱特性與節(jié)能潛力進(jìn)行了分析研究。李兆堅(jiān)等人對北京市某節(jié)能住宅的間歇供暖特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，在滿足舒適度的前提下，采用停暖時間比為30%的間歇供暖方式時，全樓的平均節(jié)能率最大不超過10%[1]。劉偉等人對分時供暖在高校類建筑中的節(jié)能率進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在室內(nèi)控制溫度與間歇周期不變的條件下，其節(jié)能率隨室外溫度的升高不斷增加[2]。武偉通過數(shù)值模擬的方法，分析得到了在地板輻射間歇供暖條件下，達(dá)到室內(nèi)要求溫度所需的預(yù)熱量和預(yù)熱時間的關(guān)系[3]。亢燕銘等人的研究結(jié)果表明所有間歇供暖情況下的熱指標(biāo)均高于冬季連續(xù)供暖，室內(nèi)蓄熱體吸熱散熱過程對間歇供暖的能耗影響較大[4]。王舒寒等人研究了供暖時間比對間歇供暖房間能耗的影響[5]。

采用控制合理的間歇供暖系統(tǒng)，會有良好的節(jié)能效果，但其節(jié)能率及系統(tǒng)優(yōu)化受到多種因素的影響。本文主要對房間在典型氣象日的熱過程進(jìn)行計算分析，旨在滿足居民熱舒適要求的前提下，為減少供暖系統(tǒng)運(yùn)行時間及運(yùn)行負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最大化提供指導(dǎo)。

1 熱過程分析模型

1.1 間歇供暖房間熱過程描述

建筑的供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，供暖系統(tǒng)僅在一天中的部分時間開啟。供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，經(jīng)歷預(yù)熱期、工作期和間歇期三個時期。

預(yù)熱期的作用是室內(nèi)空氣溫度在房間使用前達(dá)到室內(nèi)設(shè)計供熱溫度。當(dāng)房間處于工作期時，室內(nèi)空氣溫度基本保持不變，溫度值等于室內(nèi)設(shè)計溫度。處于間歇期時，即：供暖系統(tǒng)停止運(yùn)行后，由于各種耗熱量的存在，室內(nèi)空氣溫度會逐漸下降，圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的蓄熱性能使室內(nèi)外溫差仍然存在，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對空氣放熱造成壁面溫度下降；當(dāng)供暖系統(tǒng)再次開啟后，室內(nèi)空氣溫度上升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)重新從空氣中吸收熱量，溫度上升。

在求解房間的逐時熱負(fù)荷、室內(nèi)空氣溫度等物理量時，需要建立房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱平衡方程和房間室內(nèi)空氣的熱平衡方程，從而建立供暖房間的熱過程分析數(shù)學(xué)模型，通過求解數(shù)學(xué)模型得到。

1.2 建立熱平衡方程

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的每一個內(nèi)表面，都可以單獨(dú)建立一個熱平衡方程式。其各內(nèi)表面的導(dǎo)熱量、各內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對流換熱量、各內(nèi)表面與其他表面的輻射換熱量以及直接獲得的輻射熱量之和等于零。因此，對于第i 個表面而言，其n 時刻的熱平衡方程式為

對于供暖房間，單位時間內(nèi)室內(nèi)空氣中顯熱的增量等于圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對流換熱量、直接對流的熱量、空氣滲透耗熱量和供暖系統(tǒng)加熱量之和，根據(jù)上述關(guān)系可列出室內(nèi)空氣的熱平衡方程，表達(dá)式為：

1.3 間歇供暖房間的逐時熱負(fù)荷

供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，在工作期內(nèi)，供暖系統(tǒng)給供暖房間提供熱量，將室內(nèi)空氣溫度維持在室內(nèi)設(shè)計溫度附近，此期間，供熱量HA（供暖系統(tǒng)供給房間的熱量）并不等于設(shè)計條件下該供暖房間的熱負(fù)荷HL，工作期n 時刻的供熱量HA 為：

由公式（3）可知，n 時刻供暖系統(tǒng)供熱量HA(n)由該時刻供暖房間的熱負(fù)荷HL(n)和蓄熱負(fù)荷HS(n)這兩部分組成。n時刻蓄熱負(fù)荷的大小等于n時刻及之前因?yàn)槭覂?nèi)空氣溫度變化而引起房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱，并在n時刻向室內(nèi)空氣放熱量的大小，表達(dá)式見式（4）：

式中負(fù)號表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)從室內(nèi)空氣吸熱；Δtr(n-j)表示（n-j）時刻室內(nèi)空氣溫度變化值，即房間供熱溫度與室內(nèi)空氣溫度之間的差值。

將公式（4）代入（3）可得房間n 時刻的供熱量為：

2 熱過程分析模型的驗(yàn)證

2.1 測試對象

如圖1 所示，本文所選取的研究對象是某辦公樓中的一個典型的房間，其周圍房間和走廊均不提供供暖。該房間由一面朝北外墻、三面內(nèi)墻和兩面樓板組成，尺寸為3.4 m×3.4 m×6 m。窗為雙層玻璃窗，其傳熱系數(shù)為3.5 W/(㎡·℃)，門的傳熱系數(shù)為2.5 W/(㎡·℃) 。房間外墻和內(nèi)墻均由多孔磚層加兩面石灰砂漿抹灰層組成。多孔磚厚度為240 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/(m·℃）；石灰砂漿厚度為20 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/(m·℃）。

圖1 典型供暖房間示意圖

2.2 計算參數(shù)

模擬計算分析所采用的外擾量為上海地區(qū)典型氣象日室外溫度，天氣最低溫度出現(xiàn)在6:00，2.15 ℃；最高溫度出現(xiàn)在14:00左右，8.93 ℃。因外墻位于北面，故不考慮太陽輻照度。墻體外表面的對流換熱系數(shù)為22.8 W/(m2·℃)。供暖房間不考慮人員照明及設(shè)備等的散熱量，房間的換氣次數(shù)為0.5次/h。

2.3 數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證

在東西內(nèi)墻、天花板和地面均布置兩個熱電偶和熱通量傳感器，房間內(nèi)不同位置分布有5 個熱電偶以測量室內(nèi)空氣溫度，除此之外，左右兩個相鄰房間分別布置有兩個熱電偶用來測量鄰室空氣溫度，走廊和室外分別布置有一個熱電偶測量空氣溫度。將暖風(fēng)機(jī)放置在房間地面的中央位置，每天上午8:00 開啟暖風(fēng)機(jī)，下午18:00 關(guān)閉暖風(fēng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)房間每天供暖時長為10 h，暖風(fēng)機(jī)加熱功率為1 500 W，連續(xù)五天，記錄逐時室內(nèi)空氣溫度、走廊溫度、鄰室溫度和室外溫度。

將實(shí)驗(yàn)記錄的走廊溫度、鄰室溫度和室外溫度代入數(shù)學(xué)模型，選取所得結(jié)果中的最后兩天的室內(nèi)空氣溫度與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2 用數(shù)學(xué)模型求解得到的室內(nèi)空氣溫度和實(shí)測的室內(nèi)空氣溫度隨時間變化的曲線基本是一致的，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖2 實(shí)測值與模擬值對比

3 熱過程模擬與分析

對房間進(jìn)行間歇供暖時，室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃，相鄰房間的室溫維持在10 ℃，走廊的空氣溫度維持在8 ℃。該房間從8:00 開始使用，18:00 供暖系統(tǒng)停止運(yùn)行，其供暖系統(tǒng)從6:00到8:00有時長為2個小時的預(yù)熱期，并在8:00時使房間空氣溫度達(dá)到18 ℃。

3.1 間歇供暖房間能耗分析

如圖3所示，在預(yù)熱期，供暖系統(tǒng)的逐時供熱量為3 978 W，相當(dāng)于房間連續(xù)供暖逐時熱負(fù)荷最小值的2.5 倍。在工作期，間歇供暖逐時供熱量隨著運(yùn)行時刻的增加而減小，最大為2 209 W，最小為1 781 W，波動幅度為428 W。由于墻體的蓄熱作用，間歇供暖的逐時供熱量均大于房間連續(xù)供暖熱負(fù)荷，并且隨著供暖時刻的增加，兩者的差距逐漸減小。

圖3 間歇供暖逐時供熱量

供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行的總供熱量為全天供暖系統(tǒng)供熱量的總和，包括預(yù)熱期和工作期，其值為27 118 W·h，其中預(yù)熱量為7 956 W·h。供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的總供熱量為全天各個時刻房間熱負(fù)荷的總和，其值為39 363 W·h。相比較于供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行的節(jié)能量為12 245 W·h，節(jié)能率為31.11%。

3.2 間歇供暖的供熱量流向

間歇供暖的供熱量一般有四個流向，一是通過各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞到室外、鄰室和走廊，二是儲存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各個墻體中，三是加熱通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲透進(jìn)室內(nèi)的空氣，四是加熱室內(nèi)空氣和家具。

如圖4所示，在預(yù)熱期，供熱量中用于提高室溫的熱量最大，其次是墻體蓄熱量。在工作期，墻體蓄熱量逐漸減小，散到鄰室的熱量逐漸增大，而散到室外的熱量先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在13:00，這是因?yàn)橥鈮ν獗诿鏈囟鹊纳仙俣刃∮诳諝鉁囟?，?:00到12:00時間內(nèi)，外墻會從室外空氣中吸收一部分熱量，從而造成這段時間散到室外的熱量減少。

圖4 間歇供暖預(yù)熱期和工作期逐時供熱量流向情況

如圖5所示，在這四個流向中，墻體蓄熱量占到總供熱量的37.06%，通過內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散到鄰室和走廊的熱量，占總供熱量的30.97%，其中散到鄰室為25.83%，散到走廊為5.14%。通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)散到室外的熱量為11.43%，在預(yù)熱期用于提高空氣溫度的熱量占總供熱量的14.43%，加熱通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲透進(jìn)室內(nèi)空氣的熱量占比最少，為6.11%。

圖5 間歇供暖預(yù)熱期和工作期總供熱量流向占比

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度分布

如圖6所示，在間歇供暖的間歇期，由于房間沒有供熱量，室內(nèi)空氣溫度會隨之下降，墻體中蓄存的熱量逐漸向周圍環(huán)境釋放，從而導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度均呈緩慢下降趨勢，其中，東內(nèi)墻和西內(nèi)墻的溫度下降幅度大致相同，最大下降幅度約為2.57 ℃；屋頂和地面大致相同，最大下降幅度約為2.02 ℃。在預(yù)熱期，房間內(nèi)的供暖系統(tǒng)正常運(yùn)行，室內(nèi)空氣溫度持續(xù)上升，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度逐漸升高，東、西內(nèi)墻在此期間的內(nèi)表面溫度上升幅度大于地面和屋頂，墻體開始蓄存熱量。在工作期內(nèi)，室內(nèi)空氣溫度始終高于圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度，墻體繼續(xù)蓄存熱量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度均呈緩慢上升趨勢。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面的逐時溫度變化

4 結(jié)論

本文選取上海地區(qū)辦公建筑中的一個典型房間，使用房間熱平衡法，建立了數(shù)學(xué)模型，以上海地區(qū)典型氣象日為外擾量，對連續(xù)供暖和間歇供暖房間的熱特性進(jìn)行了計算分析，得出以下結(jié)論：

1）在周圍房間均不提供供暖的情況下，對比分析了房間供暖系統(tǒng)在連續(xù)和間歇運(yùn)行時的能耗，其中間歇供暖的節(jié)能量為12 245 W·h，節(jié)能率為31.11%。

2）間歇供暖的供熱量有四個流向，一是墻體蓄熱，占比最大，多達(dá)37.06%；二是通過各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞到室外、鄰室和走廊，分別占總供熱量的11.43%、25.83%和5.14%；三是加熱滲透進(jìn)室內(nèi)的空氣，占6.11%；四是用于提高室內(nèi)空氣和家具溫度，占14.43%，這一流向主要在預(yù)熱期存在。

3）供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，對于蓄熱能力差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)表面溫度波動較大。在間歇期，房間空氣溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度均呈下降趨勢；在預(yù)熱期，各種溫度會迅速升高，房間空氣溫度的上升幅度高于各圍護(hù)結(jié)構(gòu)；在工作期內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面溫度均呈緩慢上升趨勢，房間空氣溫度波動較小。