上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院    程 序   熊 樂  于國(guó)清

       【摘  要】本文選取了夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑中的一個(gè)典型房間作為研究對(duì)象，基于房間的熱平衡法，根據(jù)室內(nèi)空氣熱平衡方程建立了供暖房間數(shù)學(xué)模型，對(duì)該房間在間歇供暖時(shí)的能耗及其影響因素進(jìn)行了研究。本文分析了不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、供暖系統(tǒng)溫度、房間換氣次數(shù)、房間窗戶傳熱系數(shù)和相鄰房間供暖時(shí)供暖房間的間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率。結(jié)果表明：運(yùn)行時(shí)間對(duì)能耗的影響遠(yuǎn)大于供暖系統(tǒng)溫度、房間換氣次數(shù)和房間窗戶傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響，當(dāng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)從10h減少到4h時(shí)，間歇供暖，相比連續(xù)供暖的節(jié)能率從31%提高到54%。當(dāng)周圍房間供暖時(shí)，間歇供暖總負(fù)荷遠(yuǎn)低于相鄰房間不供暖，節(jié)能率也降至8.46%。

       【關(guān)鍵詞】間歇供暖；熱負(fù)荷；節(jié)能量；節(jié)能率

1 引言

       在我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)，供暖設(shè)備普遍采用間歇供暖的方式。與連續(xù)供暖系統(tǒng)相比，間歇供暖系統(tǒng)可以減少一部分能耗，從而達(dá)成建筑節(jié)能的目的。但間歇供暖系統(tǒng)的節(jié)能量與節(jié)能率受到多種因素的影響。對(duì)于各種因素到底如何影響供暖系統(tǒng)的節(jié)能量與節(jié)能率，都還有待深入研究。

       國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究與模擬分析等方式，對(duì)間歇供暖系統(tǒng)能耗的影響因素進(jìn)行了研究。Badran 等人通過研究居住建筑墻體的結(jié)構(gòu)和保溫層厚度對(duì)間歇和連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能很好時(shí)，如果建筑使用時(shí)間在14h以內(nèi)，供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行會(huì)比較節(jié)能^[1]。Ferenc Kalmár研究發(fā)現(xiàn)在同等情況下間歇供暖與連續(xù)供暖相比，地板供暖節(jié)能率為6.2%，而吊頂輻射供暖節(jié)能率為10.4%^[2]。李兆堅(jiān)等人采用DeST-h軟件對(duì)北京地區(qū)某住宅不同保溫形式和不同供暖時(shí)間共8種工況，進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明當(dāng)停暖時(shí)間比為30%時(shí)，全樓平均節(jié)能率為10%^[3]。

2 研究對(duì)象

       2.1 物理模型

圖1 典型供暖房間示意圖

       如圖1所示，本文所研究的對(duì)象為某辦公樓中的一個(gè)典型朝北房間。該房間的尺寸為3.4m×3.4m×6m，北外墻上有一扇窗，南內(nèi)墻上有一扇門，周圍房間和走廊均不供暖。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度與熱物性參數(shù)如表1和表2所示。北外墻上窗戶的傳熱系數(shù)為3.5W/(m2·℃)，南內(nèi)墻上門的傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·℃)。

表1 外墻各組成部分熱物性參數(shù)

表2 內(nèi)墻各組成部分熱物性參數(shù)

       圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的尺寸和內(nèi)表面溫度如表3所示。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分尺寸及內(nèi)表面溫度

       2.2 計(jì)算參數(shù)

       圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各內(nèi)表面溫度、室外空氣綜合溫度的初始值均為18℃，相鄰房間的室溫維持在10℃，走廊的空氣溫度維持在8℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃。間歇供暖工作期間，該房間從8:00開始使用，18:00停止使用，預(yù)熱期時(shí)長(zhǎng)為2小時(shí)，從6:00開始到8:00結(jié)束。在預(yù)熱期結(jié)束時(shí)室內(nèi)空氣溫度應(yīng)達(dá)到18℃。

3 數(shù)學(xué)模型

       對(duì)于供暖房間，單位時(shí)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(duì)流換熱量、直接對(duì)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，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

         (1)

       式中：t_r(n)——室內(nèi)空氣溫度，℃；t_k(n)，t_i(n)——第K和第i圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；a_k^c——第i圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m²·℃);q₁^c(n)——n時(shí)刻來(lái)自照明、人體顯熱和設(shè)備顯熱等的對(duì)流散熱量，W；q₂^c(n)——n時(shí)刻吸收房間熱量致使水分蒸發(fā)所消耗的房間顯熱量，W;La(n)——n時(shí)刻的空氣滲透量，m³/h;(cρ)_a,(cp)_r ——室外空氣和室內(nèi)空氣的單位熱容，KJ/(m³· ℃);V——房間體積，m³;HA(n)——n時(shí)刻供暖系統(tǒng)顯熱加熱量，W。

4 典型日間歇供暖房間熱過程模擬與分析

       供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，全天的逐時(shí)熱負(fù)荷累加起來(lái)就是連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷。供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)，預(yù)熱期與工作期的供熱量之和為間歇運(yùn)行總負(fù)荷。連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷與間歇運(yùn)行總負(fù)荷的差值為節(jié)能量。節(jié)能量與連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷的比值為節(jié)能率。

       4.1 間歇供暖與連續(xù)供暖能耗對(duì)比

圖2 間歇供暖與連續(xù)供暖逐時(shí)供熱量

       如圖2所示為間歇供暖與連續(xù)供暖的能耗對(duì)比，供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的總負(fù)荷為39363 W•h。供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行的總負(fù)荷為27118 W•h，其中預(yù)熱量為7956 W•h。與供暖系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行相比，供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行的節(jié)能量為12245 W•h，節(jié)能率為31.11%。

       4.2 運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的影響

       本節(jié)研究當(dāng)間歇供暖房間工作期室溫恒定時(shí)，供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)供暖房間熱過程的影響，分別計(jì)算工作期運(yùn)行時(shí)間為4h、6h、8h、10h四種工況，計(jì)算時(shí)采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型和熱物性參數(shù)與2.1節(jié)相同，計(jì)算采用上海典型氣象日的氣象參數(shù)，除運(yùn)行時(shí)間不同外，其他計(jì)算條件均與文章4.1節(jié)熱過程分析的計(jì)算條件一致，這四種工況的預(yù)熱時(shí)間均為2小時(shí)（6:00-8:00）。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 運(yùn)行時(shí)間不同時(shí)的供熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率

       由圖3所示，供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，間歇運(yùn)行總負(fù)荷越高，預(yù)熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率越低。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為4h時(shí)，間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率分別增加為18095 W•h、21269 W•h和54.03%。6h間歇運(yùn)行總負(fù)荷比4h增加3313 W•h，8h間歇運(yùn)行總負(fù)荷比6h增加2971W•h，10h間歇運(yùn)行總負(fù)荷比8h增加2739 W•h?？梢钥闯?，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間減少時(shí)，節(jié)能量和節(jié)能率均有很大的提升，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，增加相同的運(yùn)行時(shí)間，所需的負(fù)荷越少。運(yùn)行時(shí)間為4h時(shí)，預(yù)熱負(fù)荷為8995 W•h，占總負(fù)荷的49.71%，運(yùn)行時(shí)間為10h時(shí)，預(yù)熱負(fù)荷為7956 W•h，占總負(fù)荷的29.34%。運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)熱負(fù)荷越小，占總負(fù)荷的比例也越小。

       4.3 供熱溫度的影響

       本節(jié)研究供暖系統(tǒng)供熱溫度對(duì)供暖房間熱過程的影響，分別計(jì)算供熱溫度為15℃、18℃和21℃三種工況，計(jì)算時(shí)采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型和熱物性參數(shù)與2.1相同，計(jì)算采用上海典型氣象日的氣象參數(shù)，除供熱溫度不同外，其他計(jì)算條件均與文章4.1節(jié)熱過程分析的計(jì)算條件一致。

圖4 供熱溫度不同時(shí)的供熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率

       如圖4所示，供暖系統(tǒng)供熱溫度越高，間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量越高，節(jié)能率越低。當(dāng)供熱溫度為15℃時(shí)，間歇運(yùn)行總負(fù)荷、連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷和節(jié)能量最小，分別為17967 W•h、26292 W•h和8325 W•h，節(jié)能率最大為31.66%，當(dāng)供熱溫度為21℃時(shí)，相比于15℃，間歇運(yùn)行總負(fù)荷和連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷和節(jié)能率分別增大18303 W•h、26144 W•h和7085 W•h，節(jié)能率減小0.83%。

       所以，當(dāng)供暖系統(tǒng)供熱溫度上升時(shí)，連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行總負(fù)荷均會(huì)增加，但由于間歇運(yùn)行負(fù)荷的增加速度低于連續(xù)運(yùn)行，從而造成節(jié)能量的增大，但相比較于其他影響因素，供熱溫度對(duì)節(jié)能率的影響很小，供熱溫度15℃的節(jié)能率相較于21℃，相差不到1%。

       4.4 換氣次數(shù)的影響

       本節(jié)研究房間換氣次數(shù)對(duì)供暖房間熱過程的影響，分別計(jì)算每小時(shí)換氣次數(shù)為0.5次、1次和2次三種工況，即冷風(fēng)滲透量為34.68m³/h、69.36 m³/h和138.72 m³/h。計(jì)算時(shí)采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型和熱物性參數(shù)與2.1相同，計(jì)算采用上海典型氣象日的氣象參數(shù)，除房間每小時(shí)換氣次數(shù)不同外，其他計(jì)算條件均與文章4.1節(jié)熱過程分析的計(jì)算條件一致。

圖5 換氣次數(shù)不同時(shí)的供熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率

       如圖5所示，當(dāng)換氣次數(shù)為0.5次時(shí)，間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率均為最低，三者分別為27118 W•h、12245 W•h和31.11%，當(dāng)換氣次數(shù)為2次時(shí)，三者分別增加6380 W•h、4852 W•h和2.86%。可以看出隨著房間換氣次數(shù)的增加，連續(xù)和間歇運(yùn)行總負(fù)荷均有所增加，但連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷的增加速度略大于間歇運(yùn)行，因此節(jié)能率略微的增加。

       4.5 外窗傳熱系數(shù)的影響

       本節(jié)研究房間外窗傳熱系數(shù)對(duì)供暖房間熱過程的影響，分別計(jì)算分析外窗傳熱系數(shù)為2W/(m²·℃)、3.5W/(m²·℃)和6W/(m²·℃)三種工況，除房間外窗傳熱系數(shù)不同，計(jì)算時(shí)采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型和熱物性參數(shù)與2.1相同，計(jì)算采用上海典型氣象日的氣象參數(shù)，其他計(jì)算條件均與文章4.1節(jié)熱過程分析的計(jì)算條件一致。

圖6 窗戶傳熱系數(shù)不同時(shí)的供熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率

       如圖6所示，隨著房間窗戶傳熱系數(shù)的增大，連續(xù)運(yùn)行總負(fù)荷、間歇運(yùn)行總負(fù)荷，節(jié)能量和節(jié)能率均有所上升。當(dāng)窗戶傳熱系數(shù)為2W/(m2·℃)時(shí)，這四者的值均為最低，分別為37753 W•h、26193 W•h、11559 W•h和30.62%，當(dāng)窗戶傳熱系數(shù)增加到6W/(m2·℃)時(shí)，四者分別增加4297 W•h、2426 W•h、1843 W•h和1.27%。

       所以，隨著房間窗戶傳熱系數(shù)的增大，連續(xù)和間歇運(yùn)行總負(fù)荷均增大，但連續(xù)供暖總負(fù)荷的增長(zhǎng)速度高于間歇供暖總負(fù)荷，從而造成節(jié)能率略微的增加。

       4.6 相鄰房間供暖情況的影響

       本節(jié)研究相鄰房間供暖情況對(duì)供暖房間熱過程的影響，分別計(jì)算相鄰房間供暖和不供暖兩種工況，計(jì)算時(shí)采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型和熱物性參數(shù)與2.1相同，計(jì)算采用上海典型氣象日的氣象參數(shù)，除了相鄰房間供暖情況不同，其他計(jì)算條件均與文章4.1節(jié)熱過程分析的計(jì)算條件一致。

圖7 鄰室供暖情況不同時(shí)的供熱負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率

       如圖7所示，當(dāng)相鄰房間供暖時(shí)，間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率分別為11380 W•h、1051 W•h和8.46%，均遠(yuǎn)低于相鄰房間不供暖時(shí)的間歇運(yùn)行總負(fù)荷、節(jié)能量和節(jié)能率。

5 結(jié)論

       本文選取了上海地區(qū)辦公建筑中的一個(gè)典型房間作為研究對(duì)象，確定了圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的熱物性參數(shù)，以上海地區(qū)典型氣象日為外擾參量，對(duì)間歇供暖房間的熱過程進(jìn)行了計(jì)算分析，并研究了工作期運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、供暖系統(tǒng)供熱溫度、房間換氣次數(shù)、外窗傳熱系數(shù)以及相鄰房間供暖情況對(duì)房間熱過程的影響。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

       （1）當(dāng)工作期運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)從10h減少到4h時(shí)，相比連續(xù)供暖，節(jié)能率從31%增加至于54%，預(yù)熱負(fù)荷占間歇運(yùn)行總負(fù)荷的比例增大。

       （2）當(dāng)供暖系統(tǒng)供熱溫度由15℃提高至21℃時(shí)，間歇供暖總負(fù)荷、連續(xù)供暖總負(fù)荷和節(jié)能量分別增加18303 W•h、26144 W•h和7085 W•h，但節(jié)能率僅減小0.83%。

       （3）當(dāng)房間換氣次數(shù)從0.5h^-1增加到2 h^-1時(shí)，間歇供暖總負(fù)荷，節(jié)能量和節(jié)能率分別增加6379 W•h、4852 W•h和2.86%。

       （4）當(dāng)房間窗戶傳熱系數(shù)由2W/(m²·℃)增加至6W/(m²·℃)時(shí)，連續(xù)和間歇供暖總負(fù)荷分別增加4270 W•h，2426 W•h，但連續(xù)供暖總負(fù)荷的增長(zhǎng)幅度高于間歇供暖總負(fù)荷，從而造成節(jié)能量增加1843 W•h，節(jié)能率略微的增加1.27%。

       （5）當(dāng)相鄰房間供暖時(shí)，間歇供暖總負(fù)荷大幅度低于相鄰房間不供暖，相比連續(xù)供暖的節(jié)能率也大幅降低，從31%下降到8.46%。

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       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。