上海理工大學環境與建筑學院    程 序   熊 樂  于國清

       【摘  要】本文選取了夏熱冬冷地區辦公建筑中的一個典型房間作為研究對象，基于房間的熱平衡法，根據室內空氣熱平衡方程建立了供暖房間數學模型，對該房間在間歇供暖時的能耗及其影響因素進行了研究。本文分析了不同運行時長、供暖系統溫度、房間換氣次數、房間窗戶傳熱系數和相鄰房間供暖時供暖房間的間歇運行總負荷、節能量和節能率。結果表明：運行時間對能耗的影響遠大于供暖系統溫度、房間換氣次數和房間窗戶傳熱系數對能耗的影響，當運行時長從10h減少到4h時，間歇供暖，相比連續供暖的節能率從31%提高到54%。當周圍房間供暖時，間歇供暖總負荷遠低于相鄰房間不供暖，節能率也降至8.46%。

       【關鍵詞】間歇供暖；熱負荷；節能量；節能率

1 引言

       在我國夏熱冬冷地區，供暖設備普遍采用間歇供暖的方式。與連續供暖系統相比，間歇供暖系統可以減少一部分能耗，從而達成建筑節能的目的。但間歇供暖系統的節能量與節能率受到多種因素的影響。對于各種因素到底如何影響供暖系統的節能量與節能率，都還有待深入研究。

       國內外的學者通過實驗研究與模擬分析等方式，對間歇供暖系統能耗的影響因素進行了研究。Badran 等人通過研究居住建筑墻體的結構和保溫層厚度對間歇和連續運行負荷的影響，發現當住宅建筑圍護結構的保溫性能很好時，如果建筑使用時間在14h以內，供暖系統間歇運行會比較節能^[1]。Ferenc Kalmár研究發現在同等情況下間歇供暖與連續供暖相比，地板供暖節能率為6.2%，而吊頂輻射供暖節能率為10.4%^[2]。李兆堅等人采用DeST-h軟件對北京地區某住宅不同保溫形式和不同供暖時間共8種工況，進行逐時模擬計算。模擬結果表明當停暖時間比為30%時，全樓平均節能率為10%^[3]。

2 研究對象

       2.1 物理模型

圖1 典型供暖房間示意圖

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

表1 外墻各組成部分熱物性參數

表2 內墻各組成部分熱物性參數

       圍護結構各部分的尺寸和內表面溫度如表3所示。

表3 圍護結構各部分尺寸及內表面溫度

       2.2 計算參數

       圍護結構的各內表面溫度、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℃，室內設計溫度為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，預熱期時長為2小時，從6:00開始到8:00結束。在預熱期結束時室內空氣溫度應達到18℃。

3 數學模型

       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，其數學表達式為：

         (1)

       式中：t_r(n)——室內空氣溫度，℃；t_k(n)，t_i(n)——第K和第i圍護結構內表面溫度，℃；a_k^c——第i圍護結構內表面的對流換熱系數，W/(m²·℃);q₁^c(n)——n時刻來自照明、人體顯熱和設備顯熱等的對流散熱量，W；q₂^c(n)——n時刻吸收房間熱量致使水分蒸發所消耗的房間顯熱量，W;La(n)——n時刻的空氣滲透量，m³/h;(cρ)_a,(cp)_r ——室外空氣和室內空氣的單位熱容，KJ/(m³· ℃);V——房間體積，m³;HA(n)——n時刻供暖系統顯熱加熱量，W。

4 典型日間歇供暖房間熱過程模擬與分析

       供暖系統連續運行時，全天的逐時熱負荷累加起來就是連續運行總負荷。供暖系統間歇運行時，預熱期與工作期的供熱量之和為間歇運行總負荷。連續運行總負荷與間歇運行總負荷的差值為節能量。節能量與連續運行總負荷的比值為節能率。

       4.1 間歇供暖與連續供暖能耗對比

圖2 間歇供暖與連續供暖逐時供熱量

       如圖2所示為間歇供暖與連續供暖的能耗對比，供暖系統連續運行的總負荷為39363 W•h。供暖系統間歇運行的總負荷為27118 W•h，其中預熱量為7956 W•h。與供暖系統連續運行相比，供暖系統間歇運行的節能量為12245 W•h，節能率為31.11%。

       4.2 運行時長的影響

       本節研究當間歇供暖房間工作期室溫恒定時，供暖系統運行時長對供暖房間熱過程的影響，分別計算工作期運行時間為4h、6h、8h、10h四種工況，計算時采用的圍護結構物理模型和熱物性參數與2.1節相同，計算采用上海典型氣象日的氣象參數，除運行時間不同外，其他計算條件均與文章4.1節熱過程分析的計算條件一致，這四種工況的預熱時間均為2小時（6:00-8:00）。分析結果如圖3所示。

圖3 運行時間不同時的供熱負荷、節能量和節能率

       由圖3所示，供暖系統間歇運行時間越長，間歇運行總負荷越高，預熱負荷、節能量和節能率越低。當運行時間為4h時，間歇運行總負荷、節能量和節能率分別增加為18095 W•h、21269 W•h和54.03%。6h間歇運行總負荷比4h增加3313 W•h，8h間歇運行總負荷比6h增加2971W•h，10h間歇運行總負荷比8h增加2739 W•h?？梢钥闯?，當運行時間減少時，節能量和節能率均有很大的提升，并且隨著運行時間的延長，增加相同的運行時間，所需的負荷越少。運行時間為4h時，預熱負荷為8995 W•h，占總負荷的49.71%，運行時間為10h時，預熱負荷為7956 W•h，占總負荷的29.34%。運行時間越長，預熱負荷越小，占總負荷的比例也越小。

       4.3 供熱溫度的影響

       本節研究供暖系統供熱溫度對供暖房間熱過程的影響，分別計算供熱溫度為15℃、18℃和21℃三種工況，計算時采用的圍護結構物理模型和熱物性參數與2.1相同，計算采用上海典型氣象日的氣象參數，除供熱溫度不同外，其他計算條件均與文章4.1節熱過程分析的計算條件一致。

圖4 供熱溫度不同時的供熱負荷、節能量和節能率

       如圖4所示，供暖系統供熱溫度越高，間歇運行總負荷、節能量越高，節能率越低。當供熱溫度為15℃時，間歇運行總負荷、連續運行總負荷和節能量最小，分別為17967 W•h、26292 W•h和8325 W•h，節能率最大為31.66%，當供熱溫度為21℃時，相比于15℃，間歇運行總負荷和連續運行總負荷和節能率分別增大18303 W•h、26144 W•h和7085 W•h，節能率減小0.83%。

       所以，當供暖系統供熱溫度上升時，連續運行和間歇運行總負荷均會增加，但由于間歇運行負荷的增加速度低于連續運行，從而造成節能量的增大，但相比較于其他影響因素，供熱溫度對節能率的影響很小，供熱溫度15℃的節能率相較于21℃，相差不到1%。

       4.4 換氣次數的影響

       本節研究房間換氣次數對供暖房間熱過程的影響，分別計算每小時換氣次數為0.5次、1次和2次三種工況，即冷風滲透量為34.68m³/h、69.36 m³/h和138.72 m³/h。計算時采用的圍護結構物理模型和熱物性參數與2.1相同，計算采用上海典型氣象日的氣象參數，除房間每小時換氣次數不同外，其他計算條件均與文章4.1節熱過程分析的計算條件一致。

圖5 換氣次數不同時的供熱負荷、節能量和節能率

       如圖5所示，當換氣次數為0.5次時，間歇運行總負荷、節能量和節能率均為最低，三者分別為27118 W•h、12245 W•h和31.11%，當換氣次數為2次時，三者分別增加6380 W•h、4852 W•h和2.86%?？梢钥闯鲭S著房間換氣次數的增加，連續和間歇運行總負荷均有所增加，但連續運行總負荷的增加速度略大于間歇運行，因此節能率略微的增加。

       4.5 外窗傳熱系數的影響

       本節研究房間外窗傳熱系數對供暖房間熱過程的影響，分別計算分析外窗傳熱系數為2W/(m²·℃)、3.5W/(m²·℃)和6W/(m²·℃)三種工況，除房間外窗傳熱系數不同，計算時采用的圍護結構物理模型和熱物性參數與2.1相同，計算采用上海典型氣象日的氣象參數，其他計算條件均與文章4.1節熱過程分析的計算條件一致。

圖6 窗戶傳熱系數不同時的供熱負荷、節能量和節能率

       如圖6所示，隨著房間窗戶傳熱系數的增大，連續運行總負荷、間歇運行總負荷，節能量和節能率均有所上升。當窗戶傳熱系數為2W/(m2·℃)時，這四者的值均為最低，分別為37753 W•h、26193 W•h、11559 W•h和30.62%，當窗戶傳熱系數增加到6W/(m2·℃)時，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的增大，連續和間歇運行總負荷均增大，但連續供暖總負荷的增長速度高于間歇供暖總負荷，從而造成節能率略微的增加。

       4.6 相鄰房間供暖情況的影響

       本節研究相鄰房間供暖情況對供暖房間熱過程的影響，分別計算相鄰房間供暖和不供暖兩種工況，計算時采用的圍護結構物理模型和熱物性參數與2.1相同，計算采用上海典型氣象日的氣象參數，除了相鄰房間供暖情況不同，其他計算條件均與文章4.1節熱過程分析的計算條件一致。

圖7 鄰室供暖情況不同時的供熱負荷、節能量和節能率

       如圖7所示，當相鄰房間供暖時，間歇運行總負荷、節能量和節能率分別為11380 W•h、1051 W•h和8.46%，均遠低于相鄰房間不供暖時的間歇運行總負荷、節能量和節能率。

5 結論

       本文選取了上海地區辦公建筑中的一個典型房間作為研究對象，確定了圍護結構各部分的熱物性參數，以上海地區典型氣象日為外擾參量，對間歇供暖房間的熱過程進行了計算分析，并研究了工作期運行時長、供暖系統供熱溫度、房間換氣次數、外窗傳熱系數以及相鄰房間供暖情況對房間熱過程的影響。根據計算分析結果，可以得出以下結論：

       （1）當工作期運行時長從10h減少到4h時，相比連續供暖，節能率從31%增加至于54%，預熱負荷占間歇運行總負荷的比例增大。

       （2）當供暖系統供熱溫度由15℃提高至21℃時，間歇供暖總負荷、連續供暖總負荷和節能量分別增加18303 W•h、26144 W•h和7085 W•h，但節能率僅減小0.83%。

       （3）當房間換氣次數從0.5h^-1增加到2 h^-1時，間歇供暖總負荷，節能量和節能率分別增加6379 W•h、4852 W•h和2.86%。

       （4）當房間窗戶傳熱系數由2W/(m²·℃)增加至6W/(m²·℃)時，連續和間歇供暖總負荷分別增加4270 W•h，2426 W•h，但連續供暖總負荷的增長幅度高于間歇供暖總負荷，從而造成節能量增加1843 W•h，節能率略微的增加1.27%。

       （5）當相鄰房間供暖時，間歇供暖總負荷大幅度低于相鄰房間不供暖，相比連續供暖的節能率也大幅降低，從31%下降到8.46%。

參考文獻

       [1] Ali A. Badran, Adnan W. Jaradat, Mustafa N. Bahbouh. Comparative study of continuous versus intermittent heating for local residential building: Case studies in Jordan[J]. Energy Conversion and Management, 2013, 65: 709-714.
       [2] Ferenc Kalmár, Tünde Kalmár. Analysis of floor and ceiling heating with intermittent operation[J]. Environmental Engineering and Management Journal, 2011, 10(9): 1243-1248.
       [3] 李兆堅, 江億, 燕達. 住宅間歇供暖模擬分析[J]. 暖通空調, 2005, 35(8): 110-113.
       [4] 熊樂. 夏熱冬冷地區間歇供暖建筑能耗特性及影響因素研究[D].上海理工大學.2019

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。