持續供暖時長對間斷供暖房間能耗的影響

亢燕銘，張 云，王舒寒，鐘 珂，劉加平

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620； 2. 西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

持續供暖時長對間斷供暖房間能耗的影響

亢燕銘1，張 云1，王舒寒1，鐘 珂1，劉加平2

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620； 2. 西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

針對冬冷夏熱地區冬季常采用間斷供暖模式的現象，通過數值模擬的方法對其供暖能耗特點進行了研究. 結果表明，保溫層位置、供暖持續時間與間斷時間等因素對供暖能耗影響很大. 持續供暖時間越短，平均熱指標qλ,i越大；相同持續供暖時間時，外墻采用內保溫時的能耗低于外保溫的能耗，但是隨著供暖周期的增加，內保溫的節能優勢逐漸下降.

間斷供暖； 供暖時長； 保溫層位置； 供暖能耗； 熱指標

隨著人們對建筑內部環境舒適性要求的提高，我國冬冷夏熱地區冬季室內供暖現象日益普遍. 然而，由于該地區供暖特征與北方地區不同，因此，供暖房間的傳熱過程與能耗變化規律也不相同.北方地區采取集中連續供暖方式，室內溫度基本不變，維護結構傳熱近似為穩態過程.但冬冷夏熱地區大多數建筑的供暖系統采取“人在則開，人離則關”的運行模式，人們根據自己的需要決定供暖的起止時間，因此具有間斷供暖的特點[1].在這種間斷供暖方式下，室內氣溫大幅變化，不僅外圍護結構的受熱情況隨著時間有明顯的變化，內墻、家具等蓄熱體的溫度也會產生波動. 所以，北方建筑供暖的經驗和研究成果很難直接用于冬冷夏熱地區.

盡管已有不少關于冬冷夏熱地區冬季供暖能耗的研究，但是關于持續供暖時長對建筑能耗的影響卻很少有人涉及.文獻[25]著重闡述了冬冷夏熱地區的氣候特點與建筑熱環境的關系，分析了朝向、體形系數、窗墻比與供暖能耗的相關性；文獻[68]研究了保溫層位置對供暖能耗的影響，但這些研究都是針對長時間持續供暖的情況下展開的.

在間斷供暖模式下，向房間供給的熱量不僅要補充圍護結構向外界傳遞的熱量，還有一部分熱量被房間內溫度較低的家具等蓄熱體吸收，而后者在連續供暖房間中是不存在的.因此，為了得到冬冷夏熱地區居住建筑的供暖能耗特點，本文利用數值模擬方法對間斷供暖房間室內氣溫、內部蓄熱體和外墻的溫度變化規律進行計算，并分析供暖間斷時間和保溫層位置對供暖能耗的影響，以便為降低間斷供暖房間能耗提供必要的理論依據.

1 數學模型

1.1 計算模型與邊界條件

為研究不同的間斷供暖時長下保溫層位置對供暖能耗的影響，本文分別以房間外墻外保溫和內保溫兩種保溫方式進行模擬研究.模擬房間外表面尺寸為4.4 m ×4.7 m ×3.1 m (L×W×H)，房間內表面尺寸為4.0 m×4.3 m×2.7 m，房間模型如圖1所示.

圖1 數值模擬用房間模型Fig.1 Schematic of the room for numerical simulation

將模擬房間設置在建筑的中間層中間位置，屋頂、地板和隔墻均為內圍護結構，厚度設為0.2 m，主體材料為鋼筋混凝土.外墻體由0.2 m厚的鋼筋混凝土承重層和0.08 m的苯板保溫層組成.假設相鄰房間均不采暖，各內圍護結構鄰室表面溫度均為12 ℃.冬季最不利條件為全陰天，由于室內外溫差較大，可以不考慮室外溫度波動的影響，外墻外表面溫度接近大氣溫度，設為0 ℃.窗戶的面積為3.0 m × 1.5 m，材料為玻璃，冷風滲透量取為1次/h.門的尺寸為2.1 m ×0.9 m，材料為榆木.沙發尺寸為2.4 m ×0.8 m ×0.4 m，電視柜尺寸為1.8 m×0.55 m ×0.4 m，材料均為榆木.各種材料的熱工性能參數見表1所示.

表1 材料的熱工性能參數Table 1 Values of the material thermal parameters for the simulation

圖1所示房間模型中，采用變頻空調熱風供暖, 送風口和回風口的尺寸均為0.7 m×0.1 m，位于側墻上部.供暖時室內溫度ti維持在18～20 ℃，空調送風量為0.141 5 m3/s；當室內空氣溫度ti低于18 ℃時，采用大功率(3 750 +1 000)W輔熱送風，送風溫差t為28 ℃；當室內空氣溫度ti升高至20 ℃時，空調改用小功率2 375 W運行，送風溫差t為14 ℃.如此循環，使供暖期間室內空氣溫度ti維持在舒適溫度18～20 ℃.

為研究供暖間斷時間對能耗的影響，本文研究了在外墻分別為內外保溫情況下不同時長條件下的室內空氣溫度和能耗情況.供暖周期是指供暖設備開始運行至下一次開始運行所經歷的時間，即包括供暖時間和非供暖時間.每個周期供暖時間與非供暖時間各不相同，為方便描述供暖間斷時間特征，定義供暖時間比(λ)為一個供暖周期內供暖時間與該周期總時間之比，如表2所示.

表2 不同的供暖時間特征下對應的供暖時間比Table 2 Heating time-duration ratio of different heating time strategies

1.2 計算方法

本文的模擬研究采用三維不可壓縮流體，在模擬研究中認為流體的屬性不變.數值模型中所有墻體外表面設為等壁溫，墻體內表面沙發和電視柜表面以及門內表面均滿足對流耦合條件.送風口和窗戶邊界類型定義為velocity-inlet形式，回風口邊界類型定義為outlet.研究模型采用四面體網格劃分，對保溫層表面附近區域進行網格加密處理.

1.3 模型驗證

為了保證數值模擬方法的可靠性，首先需要驗證上述模型的合理性.為此，本文在上海的一個人工氣候實驗室進行了熱風采暖試驗.對室內的溫度場(t)和速度場(u)分布進行實測,試驗方法參照文獻[9].實測結果與數值模擬結果的對比圖如圖2所示.由圖2可以看到，數值模擬計算結果與試驗測得的結果之間吻合較好，因此，本文采用的數值計算方法是可行的.

(a) 溫度 (b) 風速圖2 數值模擬結果與實測結果的對比Fig.2 Comparisons between the numerical results and measured data

2 數值模擬結果與分析

2.1 供暖過程中室內空氣溫度的變化特征

本文對表2所示的4種工況進行連續24 h運用數值計算的方法進行數值模擬.當λ=33%時不同保溫方式下外墻內表面溫度隨時間(τ)的變化曲線如圖3所示.

圖3 λ = 33%時外墻采用外保溫和內保溫方式下外墻內表面溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Time series of inner surface temperature of the exterior wall with external and internal thermal insulations for λ=33%

由圖3可以看到，外墻采用外保溫方式時，外墻內表面溫度在供暖時間緩慢上升，供暖停止后緩慢下降，溫度波動范圍很小，僅為1.3 ℃.而外墻采用內保溫方式時，一旦開始供暖，外墻內表面溫度急劇上升，并在供暖期間基本維持不變，停止供暖后急劇下降，波動范圍高達13.4 ℃.這主要是因為外保溫時，熱容量大且導熱系數大的承重層位于室內一側，當房間開始供暖時，整個承重層溫度較均勻且上升緩慢；當停止供暖時，之前儲存在承重層內的熱量會逐漸散發到空氣中，由于熱容量很大，溫度下降緩慢，

這部分先儲存在承重層中后又散發出來的熱量對改善熱環境無效，本文中稱為無效能耗.而內保溫時，熱容量小且導熱系數小的保溫層位于室內一側，當房間開始供暖時，保溫層溫度迅速上升；當停止供暖時，儲存在保溫層內的熱量會快速散發到空氣中，由于熱容量小，溫度下降很快.

為了同時看到室內溫度與供暖功率的變化情況，當λ=33%時，外墻分別采用外保溫和內保溫時室內空氣溫度和送風溫度隨時間的變化曲線如圖4所示.

ti為室內空氣溫度；ts為送風口溫度，陰影部分為非供暖時間圖4 λ = 33%時室內氣溫和送風溫度隨時間的變化曲線Fig.4 Time series of indoor air and supply-air temperature at λ = 33%

圖4包括多個連續供暖周期，可以看到，開始供暖時，室內氣溫在較大供暖功率作用下迅速升高到舒適溫度后，變頻空調采用小功率供暖，以維持室內氣溫.當停止供暖時，室內氣溫逐漸下降.在較早的供暖周期內，變頻空調需要多次啟動大功率供暖，這是因為供暖設備初次運行時，內蓄熱體及室內空氣溫度較低，加熱這些物體所需要的熱量比較多.

由圖4還可以看到，外墻采用外保溫時，較早供暖周期內，供暖設備大功率運行次數比內保溫多.這主要是因為外保溫時，墻體內表面與室內空氣直接接觸，墻體的導熱系數和蓄熱能力均較大，墻體蓄熱產生的熱損失較大.而內保溫時，保溫層與室內空氣直接接觸，保溫層導熱系數和蓄熱能力均較小，所產生的蓄熱熱損失較少.隨著供暖周期的增加，供暖設備大功率運行的次數減少.這是因為室內蓄熱體在非供暖期間熱量未完全散失，其余時間小功率運行便可以維持室內舒適溫度.

表2中其余3種工況的模擬結果有上述類似規律，由于篇幅有限，不再贅述.

2.2 能耗分析

綜上可知，間斷供暖時，有部分能量需要用于加熱室內蓄熱體.另外，不同的保溫方式使得通過外墻傳熱產生的熱損失不同，因而可以認為不同保溫方式和供暖間斷時間都會影響到單位時間供暖能耗.

為分析供暖間斷時間及墻體保溫方式對房間供暖設備能耗的影響，定義供暖設備能耗(Q)為

(1)

式中：τ為時間，s；q為τ時刻對應的供暖功率，kW.

當外墻采用外保溫和內保溫方式時，不同供暖時間比下供暖能耗隨供暖時間的變化曲線如圖5所示.

由圖5可知，供暖時能耗呈直線上升，非供暖時間內能耗則保持不變.由圖5還可以看到，內、外保溫情況下，都表現為在相同供暖時間時，供暖時間比越大，供暖能耗越高.比較圖5(a)和5(b)發現，供暖時間比相同時，外保溫的供暖能耗比內保溫略大.為此，在較早供暖周期時，墻體分別采用內保溫和外保溫時，能耗隨時間的變化曲線如圖6所示.

由圖6可以看到，外保溫房間對應的供暖能耗增長速率明顯高于內保溫房間.這是由于，間斷供暖時，室內氣溫波動較大，導致室內蓄熱體的吸熱和發熱過程對能耗造成影響，墻體外保溫時，室內蓄熱體吸熱過程造成的蓄熱熱損失高于內保溫，因此能耗較高.

(a) 外保溫

(b) 內保溫圖5 外墻分別采用外保溫和內保溫方式時不同λ下 供暖能耗隨供暖時間的變化曲線Fig.5 Variations of Q with τ under different λ when external and internal thermal insulations are used for the wall

圖6 外墻采用不同保溫方式時，較早供暖周期下 不同λ供暖能耗隨時間變化曲線Fig.6 Variations of Q with τ under different λ when external and internal thermal insulations are used for the wall in earlier heating cycles

為便于比較保溫層位置對供暖能耗的影響，定義間斷供暖時的平均熱指標(qλ, i)為

(2)

式中：Qλ,i為供暖時間比為λ時第i個供暖周期的供暖能耗，kJ；A為房間地面面積，m2；τ為第i個供暖周期的供暖時間，s.

不同供暖周期下平均熱指標qλ,i隨供暖時間比的變化特征如圖7所示.

(a) 第一周期 (b) 第二周期

(c) 第三周期圖7 不同供暖周期下平均熱指標qλ,i隨λ的變化Fig.7 Variations of qλ,i with λ for different heating cycles

由圖7可以看到，每個供暖周期的外保溫條件下平均熱指標qλ,i均大于相應的內保溫情況. 這是因為外保溫時熱容量大的承重層與室內空氣直接接觸，室內氣溫上升過程中，有大量熱量通過對流換熱加熱墻體內側的承重層，使得供暖時段內外保溫房間啟動大功率的供暖次數明顯大于內保溫房間(見圖4)，造成外保溫房間室內一側墻體蓄熱性能造成的無效能耗高于內保溫.

由圖7還可以看到，由于連續供暖時間越長(即λ越大)，先儲存在蓄熱體中后又在非供暖時間散發出來的無效能耗，相對于供暖總能耗的比例越小，因此平均熱指標qλ,i越小.另外，對比圖7(a)、7(b)和7(c)可知，內、外保溫對應的熱指標差值隨著供暖周期數的增大而減小.這是因為隨著供暖周期數的增大，室內蓄熱體溫度逐漸升高，其在供暖時段吸收的熱量(無效能耗)下降.

圖8為外墻采用不同保溫方式下平均熱指標qλ,i隨供暖周期數的變化特征.由圖8可以看到，由于供暖初期內圍護結構內表面和室內蓄熱體溫度較低，有部分熱量用于蓄熱損失，第一周期內兩種保溫方式下房間平均熱指標qλ,i最大，隨著供暖周期的增加，室內蓄熱體的吸熱與放熱過程逐漸趨于穩定，最終在某個供暖周期后，平均熱指標qλ,i基本保持不變.

(a) 外保溫

(b) 內保溫圖8 外墻采用不同保溫方式時平均熱指標qλ,i隨供暖周期數的變化特征Fig.8 Variations of qλ,i with heating cycle when external and internal thermal insulations are used for the exterior wall

供暖時間比λ越大，室內蓄熱體吸熱與放熱過程趨于平穩且熱指標穩定時對應的周期數也越小.外保溫時平均熱指標qλ,i下降速率比內保溫方式時快，熱指標達到穩定所需要的供暖周期數大于內保溫.

因此可以看出，間斷供暖過程中有部分能量用于加熱室內蓄熱體，導致供暖能耗偏高.為了比較間斷供暖比連續供暖時所增加的能耗，定義能耗增加率(ηλ， i)為

(3)

式中：q0為連續供暖時的平均熱指標，W/m2.

外墻采用不同保溫方式時，第一周期和穩定周期能耗增加率ηλ,i的變化特征如圖9所示.

(a) 第一周期 (b) 穩定周期圖9 外墻分別采用外保溫和內保溫時不同λ下 第一周期和穩定周期的能耗增加率ηλ,iFig.9 ηλ,i vs λ in the first and a stable cycles when external and internal thermal insulations are used for the wall

由圖9可以看到，所有情況下的能耗增加率均大于70%，冬冷夏熱地區的供暖負荷或熱指標的估算不能按照北方集中供暖時的穩態計算方法進行，必須考慮到室內蓄熱體吸熱與放熱過程對間斷供暖的能耗影響.由圖9還可以看到，第一周期的能耗增加率明顯大于穩定周期，且在相同供暖時間比下第一周期外保溫與內保溫能耗增加率ηλ,i的差值遠大于穩定周期.這是因為隨著周期的增加，室內蓄熱體及墻體的受熱情況基本穩定且供暖時段內的吸熱量減小至最低值.

由圖9還可以看到：外保溫的能耗增加率ηλ,i大于內保溫，這主要是因為外保溫時蓄熱造成的無效能耗大于內保溫；且隨著λ的增大，外保溫和內保溫的能耗增加率ηλ,i在逐漸減小，其差值也在逐漸減小，這是因為λ越大，非供暖時間越短，在非供暖過程中散失的無效能耗就越少.

3 結 語

冬冷夏熱地區冬季常采用間斷供暖模式，北方地區集中連續供暖的經驗和研究成果很難直接用于該地區.本文利用數值模擬的方法，對4種供暖時間特征下冬冷夏熱地區冬季間斷供暖的情形進行了模擬和分析，討論和對比了外墻保溫層的位置對供暖能耗的影響. 主要結論如下：

(1) 間斷供暖過程中，室內蓄熱體的吸熱與放熱過程對供暖能耗影響很大. 內保溫時，由于導熱系數和蓄熱能力均較小的保溫層與室內空氣直接接觸，因材料蓄熱而造成的熱損失較少，使得外墻采用內保溫時的供暖熱指標低于外保溫情況，具有一定的節能效果.

(2) 房間間斷供暖時，供暖時間比λ越小，內保溫的節能效果越明顯. 鑒于冬冷夏熱地區既有居住建筑中大多數家庭采用間斷供暖方式且連續供暖時間較短，因此，既有建筑保溫改造工程中使用內保溫墻體將可能更有利于該地區降低供暖能耗.

(3) 研究結果表明，所有間斷供暖情況下的熱指標均遠高于冬季連續供暖的情況，因此，冬冷夏熱地區的供暖負荷或熱指標的估算不能照搬北方集中供暖時的穩態計算方法，必須考慮到室內蓄熱體吸熱與放熱過程對間斷供暖的能耗影響.

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Influences of Heating Time-Duration on Energy Consumption in Intermittent Heating Rooms

KANGYan-ming1,ZHANGYun1,WANGShu-han1,ZHONGKe1,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)

Numerical simulation have been carried out for analyzing energy consumption characteristics of residential buildings with intermittent heating in hot summer and cold winter zone of China. The results show that the location of thermal insulation layer, heating time-duration and time interval between two durations have significant impacts on heating energy consumption. The shorter the lasted heating time, the higher the value of mean heating load index(qλ,i). For the same heating time-duration, when external and internal thermal insulations are respectively used on the exterior wall, the energy consumption of the latter one is lower than the former one. However, the energy-saving effects of internal thermal insulation would decrease with increasing the number of heating cycle of this heating mode.

intermittent heating；heating time-duration；location of thermal insulation layer；heating energy consumption；heating load index

16710444(2016)06-0900-06

20150922

國家自然科學基金資助項目(51478098)；上海市教委科技創新重點資助項目(13ZZ054)

亢燕銘(1964—)，男，教授，博士，研究方向為城市空氣環境與氣溶膠動力學. E-mail：ymkang@dhu.edu.cn

TU 832

A