墻體蓄熱對間斷供暖房間能耗特征的影響

陳煥 劉鑫 王舒寒 鐘珂

東華大學環(huán)境科學與工程學院

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，夏熱冬冷地區(qū)利用供暖設備供暖的行為不僅發(fā)生在深冬季節(jié)，在初冬和初春也較為普遍，這期間室外氣溫極不穩(wěn)定，雖然大多數(shù)時間室外氣溫在13 ℃（不開空調(diào)時人體可以承受的室內(nèi)溫度[1]）以上，但在寒潮來臨時，室外氣溫會在短時間內(nèi)降至較低溫度。這種情況下，居民需要對房間供暖，該供暖行為具有局部時間、局部空間的特征，屬于間斷供暖[2]。

有大量文獻針對間斷供暖房間的能耗特征進行了研究，如文獻[3-4]研究了保溫層位置、供暖持續(xù)時長以及間斷時間等因素對間斷供暖房間能耗的影響。文獻[5-7]詳細分析了室內(nèi)家具等蓄熱體蓄熱對間斷供暖房間供暖能耗的影響。文獻[8]運用數(shù)值模擬的方法分析了墻體蓄熱對建筑墻體保溫性能的影響。上述研究結果表明，室內(nèi)家具、內(nèi)圍護結構等蓄熱體在供暖期間的吸熱特征對間斷供暖房間能耗具有重要的影響作用。但是室內(nèi)不同位置蓄熱體對供暖能耗的具體影響效果尚無人涉及。

為此，本文將采用數(shù)值模擬的方法，對間斷供暖房間內(nèi)圍護結構造成的供暖能耗分布特征進行研究，為減少該地區(qū)供暖能耗提供科學依據(jù)。

1 數(shù)學模型與驗證

1.1 計算模型與邊界條件

如圖1所示，模擬房間外表面尺寸L（長）×W（寬）×H（ 高）為4.4m×4.7m×3.0m，墻體厚度均為0.2m，故模擬房間內(nèi)表面尺寸L×W×H=4m×4.3m×2.6m。窗戶面積L×W=2.5m×1.2m，導熱系數(shù)λc=3.0W/(m·K)，材料為玻璃；門的面積為2.1m×0.9m，厚0.05m，材料為榆木；電視柜體尺寸為1.6m×0.55m×0.3m，沙發(fā)體尺寸為2.2m×0.8m×0.3m+0.6m×0.6m×0.3m，材料均為榆木，各材料的熱工性能參數(shù)見表1，冷風滲透量為1次/h。

圖1 房間模型

模擬房間位于中間層中間位置，地板，屋頂和隔墻均為內(nèi)圍護結構，建筑材料采用鋼筋混凝土，外墻體由0.2 m厚的鋼筋混凝土承重層和0.08 m的擠塑板保溫層組成。表1為各材料熱工性能參數(shù)。為研究墻體蓄熱造成的能耗，本實驗假設各內(nèi)圍護結構鄰室表面絕熱，此時內(nèi)圍護結構只有蓄熱。冬季最不利條件為全陰天，室內(nèi)外溫差較大，因此不考慮室外氣溫的波動，外墻外表面溫度設為4 ℃。

表1 各材料熱工性能參數(shù)

供暖設備每周期的運行時間和停止運行時間，室外氣候，居住者經(jīng)濟水平和生活習慣、供暖房間使用功能等因素均會影響供暖行為的時間特征，為了方便起見，本文定義間斷供暖房間的供暖周期為供暖設備開始供暖至下一次供暖開始之間的時長，采用供暖時間比λ描述供暖時間特征，即一個周期內(nèi)供暖時間與該周期時間總長之比，比如供暖一個小時，停暖四個小時（g1t4），λ=20%，本實驗工況還有λ=33%（g1t2），λ=50%（g2t2），λ=67%（g4t2），λ=80%（g8t2）。

圖1所示的供暖房間，采用變頻空調(diào)熱風供暖，空調(diào)送風口和回風口位于側(cè)墻上側(cè)，面積均為0.7 m×0.1 m，見圖1。間斷供暖期間為了使室內(nèi)溫度維持在人體舒適溫度19±1 ℃，當室內(nèi)空氣溫度ti低于18 ℃，空調(diào)采用大功率供暖（4.5 kW），送風溫差Δt為22.5 ℃，當ti升至 20 ℃時，采用小功率供暖（1.8 kW），送風溫差Δt為9 ℃，送風量為0.1667 m 3/s。

1.2 計算方法

本實驗假設室內(nèi)空氣為三維不可壓縮流體，即在模擬計算過程中認為流體屬性不變。所有墻壁均符合無滑移和無滲透條件，圍護結構和門內(nèi)表面，電視柜和沙發(fā)表面都滿足對流耦合條件，墻體外表面設為等壁溫。物理模型用四面體網(wǎng)格劃分，送、回風口、墻體以及室內(nèi)蓄熱體附近的網(wǎng)格采用加密處理。定義Velocity-inlet 形式為送風口和窗戶邊界類型，outflow為回風口邊界類型。用二階迎風格式離散控制方程，并用壓力速度耦合SIMPLE算法求解離散方程。

2 模擬結果與分析

2.1 內(nèi)圍護結構蓄熱造成能耗的量化分析

內(nèi)圍護結構蓄熱能耗占總能耗的 70%以上[3]，因此，降低內(nèi)圍護結構蓄熱造成的供暖能耗是實現(xiàn)間斷供暖房間節(jié)能的重要途徑。

2.1.1 內(nèi)圍護結構溫度變化特征

圖2給出了典型供暖時間比情況下，內(nèi)圍護結構內(nèi)表面溫度隨時間（）變化曲線。由圖 2a可知，屋頂和地面的內(nèi)表面溫度高于其他圍護結構。對比圖2a和圖2b可知，供暖時間比愈大，地面和屋頂內(nèi)表面平均溫度高于其他圍護結構的趨勢愈明顯。另外，由圖2還可看出，供暖期間受室內(nèi)熱空氣的影響，圍護結構內(nèi)表面溫度升高。停暖期間，由于冷風滲透的作用，使得圍護結構內(nèi)表面溫度下降。但在第二周期，內(nèi)表面溫度整體上高于第一周期，供暖時間比越大越明顯。這是因為比熱容較大的圍護結構直接與室內(nèi)空氣接觸，當?shù)谝恢芷陂_始供暖時，圍護結構的溫度較低，它們會吸收大量的熱量來提高自身溫度，而這些被吸收的熱量在第一周期停暖期間沒有完全散失，使得第二周期圍護結構內(nèi)表面溫度整體大于第一周期。

圖2 內(nèi)圍護結構表面溫度的時間變化曲線

2.1.2 內(nèi)圍護結構能耗特征

為了評價間斷供暖房間供暖能耗的大小，定義供暖期間房間的平均熱指標qλ為：

式中：Qλ為供暖時間比為λ時的供暖能耗，J；A為房間的地面面積，m2；τ為λ對應的供暖時間，s。

間斷供暖房間內(nèi)圍護結構蓄熱造成的房間平均熱指標qλ隨 供暖時間比λ的變化如圖3所示。由圖3可以看出，隨著λ的增加，由于內(nèi)圍護結構與室內(nèi)空氣的溫差減小，其在供暖期間吸收的能耗與總能耗的比例降低，故房間平均熱指標qλ下 降。

圖3 房間平均熱指標qλ 隨λ變化特征

圖4給出供暖時間比λ=20%和λ=67%時各內(nèi)圍護結構的能耗特征。由圖4可以看到，第二周期各圍護結構能耗均小于第一周期，這是因為隨著供暖周期數(shù)的增加，內(nèi)圍護結構溫度在不斷升高，與室內(nèi)空氣的溫差減小，圍護結構在供暖期間吸收的能耗減少。

圖4 λ=20%和λ=67%時間斷供暖房間各內(nèi)圍護結構能耗特征

另外，從圖4a和4b可以很明顯地看到地面和屋頂蓄熱造成的能耗占總能耗的比例很大，而其他墻體能耗遠小于兩者。為了更加詳細的研究地面和屋頂?shù)哪芎淖兓瑘D5給出了各圍護結構蓄熱能耗占總能耗的比例圖。

由圖5可知，地面蓄熱造成的能耗占總能耗的比例大于屋頂，并遠大于其他垂直墻體，而且兩者之和占總能耗高達50%以上。

圖5 內(nèi)圍護結構各部位蓄熱能耗占總能耗的比例

由于地面受熱風直吹，同時熱氣流上升，房間上部的溫度升高加快，故隨著供暖時間比λ的增加，地面蓄熱能耗占總能耗的比例在下降，其他圍護結構的比例上升，但地面和屋頂蓄熱造成的能耗之和仍遠大于其他圍護結構的蓄熱能耗。

2.2 外墻傳熱造成的能耗特征

內(nèi)圍護結構蓄熱上文已經(jīng)做了詳細研究。本文將主要研究外墻傳熱對供暖房間能耗特征的影響。為了與外墻采用內(nèi)保溫時的房間能耗進行對比，圖6給出了當外墻采用外保溫和內(nèi)保溫時，間斷供暖房間平均熱指標qλ隨供暖時間比的變化特征。由圖6可以看出，無論供暖時間比如何變化，外墻采用外保溫時的平均熱指標始終大于內(nèi)保溫。因此建筑外墻保溫方式采用內(nèi)保溫時的節(jié)能效果更好。

圖6 外墻傳熱造成的房間平均熱指標qλ隨供暖時間比λ的變化特征

由上文分析可知，地面和屋頂?shù)哪芎木^大，為了得出外墻傳熱造成圍護結構的能耗特征，圖7給出了地面，屋頂和外墻能耗占總能耗的比例圖。由圖 7可以看到，隨著供暖時間比的增加，外墻蓄熱能耗占總能耗的比例一直在增加，是因為當持續(xù)供暖時間增長時，外墻與室外空氣溫差變大，換熱加強，外墻在供暖期間吸收的能耗占總能耗的比例變大。

圖7 圍護結構占總能耗比例

由圖 7 還可以看到，雖然外墻蓄熱能耗占了一定比例，但地面和屋頂蓄熱能耗占總能耗的比例依然很高。與圖5對比可知，無論持續(xù)供暖時間、外墻保溫方式如何變化，地面和屋頂蓄熱能耗之和占總能耗的比例遠遠大于其他圍護結構，因此在夏熱冬冷地區(qū)，除外墻要有保溫之外，屋頂和地面也應該結合室內(nèi)裝修進行適當保溫。

3 結論

本文主要利用數(shù)值模擬的方法，對夏熱冬冷地區(qū)過渡季節(jié)間斷供暖房間能耗進行計算，研究間斷供暖房間圍護結構內(nèi)表面溫度和能耗特征，得到以下主要結論：

2）間斷供暖時，無論λ和保溫層位置如何變化，地面和屋頂蓄熱造成的能耗之和始終遠大于其他墻體蓄熱能耗。

3）相對于外保溫，內(nèi)保溫可以減小間斷供暖房間圍護結構蓄熱能耗。

綜上所述，夏熱冬冷地區(qū)既有建筑的保溫改造工程中，建筑外墻保溫方式選用內(nèi)保溫更有利于減少供暖能耗。而新建建筑屋頂和地面也應該結合室內(nèi)裝修進行適當保溫。并且當室外氣溫較低時，應該適當延長周期供暖時間。