夏熱冬冷地區間歇供暖房間動態熱特性研究

王智德 熊 樂 于國清

上海理工大學

0 引言

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

國內外一些學者通過實驗模擬分析等手段，對房間間歇供暖的熱特性與節能潛力進行了分析研究。李兆堅等人對北京市某節能住宅的間歇供暖特性進行了模擬分析，結果表明，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能率進行分析，結果表明，在室內控制溫度與間歇周期不變的條件下，其節能率隨室外溫度的升高不斷增加[2]。武偉通過數值模擬的方法，分析得到了在地板輻射間歇供暖條件下，達到室內要求溫度所需的預熱量和預熱時間的關系[3]。亢燕銘等人的研究結果表明所有間歇供暖情況下的熱指標均高于冬季連續供暖，室內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，會有良好的節能效果，但其節能率及系統優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，為減少供暖系統運行時間及運行負荷、實現節能的最大化提供指導。

1 熱過程分析模型

1.1 間歇供暖房間熱過程描述

建筑的供暖系統間歇運行時，供暖系統僅在一天中的部分時間開啟。供暖系統間歇運行時，經歷預熱期、工作期和間歇期三個時期。

預熱期的作用是室內空氣溫度在房間使用前達到室內設計供熱溫度。當房間處于工作期時，室內空氣溫度基本保持不變，溫度值等于室內設計溫度。處于間歇期時，即：供暖系統停止運行后，由于各種耗熱量的存在，室內空氣溫度會逐漸下降，圍護結構本身的蓄熱性能使室內外溫差仍然存在，圍護結構對空氣放熱造成壁面溫度下降；當供暖系統再次開啟后，室內空氣溫度上升，圍護結構重新從空氣中吸收熱量，溫度上升。

在求解房間的逐時熱負荷、室內空氣溫度等物理量時，需要建立房間圍護結構內表面的熱平衡方程和房間室內空氣的熱平衡方程，從而建立供暖房間的熱過程分析數學模型，通過求解數學模型得到。

1.2 建立熱平衡方程

對于圍護結構的每一個內表面，都可以單獨建立一個熱平衡方程式。其各內表面的導熱量、各內表面與室內空氣的對流換熱量、各內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，單位時間內室內空氣中顯熱的增量等于圍護結構各內表面與室內空氣的對流換熱量、直接對流的熱量、空氣滲透耗熱量和供暖系統加熱量之和，根據上述關系可列出室內空氣的熱平衡方程，表達式為：

1.3 間歇供暖房間的逐時熱負荷

供暖系統間歇運行時，在工作期內，供暖系統給供暖房間提供熱量，將室內空氣溫度維持在室內設計溫度附近，此期間，供熱量HA（供暖系統供給房間的熱量）并不等于設計條件下該供暖房間的熱負荷HL，工作期n 時刻的供熱量HA 為：

由公式（3）可知，n 時刻供暖系統供熱量HA(n)由該時刻供暖房間的熱負荷HL(n)和蓄熱負荷HS(n)這兩部分組成。n時刻蓄熱負荷的大小等于n時刻及之前因為室內空氣溫度變化而引起房間圍護結構蓄熱，并在n時刻向室內空氣放熱量的大小，表達式見式（4）：

式中負號表示圍護結構從室內空氣吸熱；Δtr(n-j)表示（n-j）時刻室內空氣溫度變化值，即房間供熱溫度與室內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，其傳熱系數為3.5 W/(㎡·℃)，門的傳熱系數為2.5 W/(㎡·℃) 。房間外墻和內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，導熱系數為0.58 W/(m·℃）；石灰砂漿厚度為20 mm，導熱系數為0.81 W/(m·℃）。

圖1 典型供暖房間示意圖

2.2 計算參數

模擬計算分析所采用的外擾量為上海地區典型氣象日室外溫度，天氣最低溫度出現在6:00，2.15 ℃；最高溫度出現在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為22.8 W/(m2·℃)。供暖房間不考慮人員照明及設備等的散熱量，房間的換氣次數為0.5次/h。

2.3 數據分析驗證

在東西內墻、天花板和地面均布置兩個熱電偶和熱通量傳感器，房間內不同位置分布有5 個熱電偶以測量室內空氣溫度，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。將暖風機放置在房間地面的中央位置，每天上午8:00 開啟暖風機，下午18:00 關閉暖風機，實驗房間每天供暖時長為10 h，暖風機加熱功率為1 500 W，連續五天，記錄逐時室內空氣溫度、走廊溫度、鄰室溫度和室外溫度。

將實驗記錄的走廊溫度、鄰室溫度和室外溫度代入數學模型，選取所得結果中的最后兩天的室內空氣溫度與實驗值進行比較，結果見圖2 用數學模型求解得到的室內空氣溫度和實測的室內空氣溫度隨時間變化的曲線基本是一致的，從而驗證了模型的準確性。

圖2 實測值與模擬值對比

3 熱過程模擬與分析

對房間進行間歇供暖時，室內設計溫度為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 供暖系統停止運行，其供暖系統從6:00到8:00有時長為2個小時的預熱期，并在8:00時使房間空氣溫度達到18 ℃。

3.1 間歇供暖房間能耗分析

如圖3所示，在預熱期，供暖系統的逐時供熱量為3 978 W，相當于房間連續供暖逐時熱負荷最小值的2.5 倍。在工作期，間歇供暖逐時供熱量隨著運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供暖熱負荷，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

供暖系統間歇運行的總供熱量為全天供暖系統供熱量的總和，包括預熱期和工作期，其值為27 118 W·h，其中預熱量為7 956 W·h。供暖系統連續運行的總供熱量為全天各個時刻房間熱負荷的總和，其值為39 363 W·h。相比較于供暖系統連續運行，供暖系統間歇運行的節能量為12 245 W·h，節能率為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，一是通過各個圍護結構傳遞到室外、鄰室和走廊，二是儲存在圍護結構的各個墻體中，三是加熱通過圍護結構縫隙滲透進室內的空氣，四是加熱室內空氣和家具。

如圖4所示，在預熱期，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，轉折點出現在13:00，這是因為外墻外壁面溫度的上升速度小于空氣溫度，在8:00到12:00時間內，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%，通過內圍護結構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%。通過外圍護結構散到室外的熱量為11.43%，在預熱期用于提高空氣溫度的熱量占總供熱量的14.43%，加熱通過圍護結構縫隙滲透進室內空氣的熱量占比最少，為6.11%。

圖5 間歇供暖預熱期和工作期總供熱量流向占比

3.3 圍護結構各內表面溫度分布

如圖6所示，在間歇供暖的間歇期，由于房間沒有供熱量，室內空氣溫度會隨之下降，墻體中蓄存的熱量逐漸向周圍環境釋放，從而導致圍護結構各內表面溫度均呈緩慢下降趨勢，其中，東內墻和西內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 ℃。在預熱期，房間內的供暖系統正常運行，室內空氣溫度持續上升，各圍護結構內表面溫度逐漸升高，東、西內墻在此期間的內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，室內空氣溫度始終高于圍護結構各內表面溫度，墻體繼續蓄存熱量，圍護結構各內表面溫度均呈緩慢上升趨勢。

圖6 圍護結構各內表面的逐時溫度變化

4 結論

本文選取上海地區辦公建筑中的一個典型房間，使用房間熱平衡法，建立了數學模型，以上海地區典型氣象日為外擾量，對連續供暖和間歇供暖房間的熱特性進行了計算分析，得出以下結論：

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在連續和間歇運行時的能耗，其中間歇供暖的節能量為12 245 W·h，節能率為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37.06%；二是通過各個圍護結構傳遞到室外、鄰室和走廊，分別占總供熱量的11.43%、25.83%和5.14%；三是加熱滲透進室內的空氣，占6.11%；四是用于提高室內空氣和家具溫度，占14.43%，這一流向主要在預熱期存在。

3）供暖系統間歇運行時，對于蓄熱能力差的圍護結構，其內表面溫度波動較大。在間歇期，房間空氣溫度和圍護結構各內表面溫度均呈下降趨勢；在預熱期，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結構；在工作期內，圍護結構各內表面溫度均呈緩慢上升趨勢，房間空氣溫度波動較小。