公共建筑供暖房間動態熱負荷及熱環境研究★

高淵清，王 迪，王雪錦，崔玉芳，張淼晴

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引言

公共建筑節能減碳是實現雙碳目標兩大戰略的重要領域,寒冷地區公共建筑的供熱能耗強度普遍較高,并由于建筑運營方式、氣候條件等因素的差異,不同公共建筑供熱能耗存在較大的差異,相同地區相同功能的公共建筑,單位面積供熱能耗可能相差數倍。在國家能碳雙控的目標下,隨著可再生能源利用占比在公共建筑區域供熱中逐漸增加,公共建筑區域供熱必須由工況設計向過程設計轉變,才能科學確定優化的設計方案和運行策略。

建筑圍護結構的傳熱是很復雜的現象。房間通過圍護結構后,無論是得熱或失熱,都是動態變化的,整個過程是一個非穩態傳熱過程。室外氣象條件在整個時間過程中具有隨機性,特別是當室內溫濕度環境也呈隨機性變化時,多采用反應系數法[1]。

特征溫度法(以下稱為CTM法)基于建筑能耗基因理論,是一種通過特征溫度計算建筑空調采暖負荷與能耗的動態方法,它解釋了房間(建筑)冷(熱)負荷或能耗與其他各種因素的相互關系[2],已被大量實驗驗證了其可靠性,并已用于各種情形的建筑能耗研究[3-5]。

為了準確計算一個房間或一棟建筑的動熱負荷,需要考慮到建筑和單個房間本身、時間、氣象條件和人類使用的影響,其中人為因素是很隨機的,綜合各種可變的影響因素研究并利用更加精確的數學模型系統地計算處理綜合影響下的負荷關系[6-16]。對于單個特征房間的供熱需求計算,則必須考慮特征房間及周圍相鄰房間之間互相的影響[17-18]。

1 數學分析

由于鄰室的傳熱對房間的能耗產生了影響,本文基于CTM法,分析在周六、日教師休息時,教師休息室無人而停止對該房間供暖時對隔壁相鄰教室供熱需求的影響。可結合氣象條件、圍護結構特性等預測教師休息室的特征溫度,當時間足夠長時,對于需要供暖的房間來說,由于房間內部各種熱擾量趨于穩定值,這個穩定值便是該房間的特征溫度t∞(見圖1)。

在任意時刻,供暖房間室內空氣總凈得熱量為：

Q1(τ)=
Qa+Q0+Qglass+Qp-Qair+Qe+Qs-Qx+Q1

(1)

其中,Q1(τ)為房間空氣凈得熱量,W;Qa為鄰室傳入的熱量,W,當鄰室不供暖時,Qa為負值;Q0為外界傳入的熱量,W;Qglass為通過玻璃進入的太陽輻射熱量,W;Qp為人體散熱量,W;Qair為通過門窗從室外滲透空氣帶走的熱量,W;Qe為室內設備散熱量,W;Qs為照明設備散熱量,W;Qx為圍護結構的散熱量,W;Q1為空調設備向房間供熱量,W。

(2)

關于外墻圍護結構傳熱的室外擾量分析,采用一個計算值,室外空氣綜合溫度：由室外氣溫和太陽輻射強度共同作用下的一個綜合溫度。實際上室外綜合溫度是假設沒有任何輻射作用下的理論空氣溫度,它對給定的外表面的熱作用與在太陽輻射、大氣長波輻射和空氣溫度共同作用下的熱作用相同。

(3)

其中,tz為室外空氣綜合溫度,℃;ta為室外空氣溫度,℃;qs為圍護結構外表面所吸收的太陽直射輻射量和太陽散射輻射量之和,W/m2;qR為圍護結構外表面所吸收的地面反射輻射量,W/m2;qe為夜間輻射(有效輻射),即圍護結構外表面輻射量-地面與天空所吸收的輻射之和,W/m2;αa為圍護結構外表面總換熱系數,等于圍護結構外表面對流換熱系數與輻射換熱系數之和,W/(m2·℃)。

通過大量研究,發現熱傳導函數系數和反應系數之間有很大的關系,兩者之間關聯緊密,通過反應系數的計算式可以求導出熱傳導的函數系數的計算式[19],在對圍護結構進行傳熱計算時,圍護結構的非穩態傳熱過程可作一維非穩態導熱問題處理：主要求解兩個偏微分方程：導熱微分方程和傅里葉定律解析式。

(4)

反應系數法求解問題的基本思路為：將隨時間連續變化的擾量曲線離散為按時間序列分布的單位擾量;再求解墻體熱力系統對單元擾量的反應系數;最后利用求得反應系數通過疊加積分計算出結果。下式為墻體的傳熱反應系數Y(j)。

(5)

教學樓非承重外墻為250 mm厚的加氣混凝土墻,內墻為200 mm厚的加氣混凝土墻,根據陳友明教授《建筑圍護結構非穩定傳熱分析的新方法》：基于表示理論的頻域回歸分析方法[20],得出兩個墻體的傳熱反應系數Y(j)如表1所示。

由于各圍護結構具有蓄熱能力,擾量又在不斷變化,因此,這些圍護結構內表面熱平衡方程式并非是簡單的代數方程,而是一組微分方程。為了運算求解,可以直接應用傳熱和內外表面吸熱反應系數解之,tz為室外空氣綜合溫度,室內空氣溫度tr為定值,則圍護結構的非穩態傳熱公式為：

(6)

表1 兩個墻體的傳熱反應系數Y(j)

式(6)為教室室內空氣通過外墻與室外空氣進行的傳熱計算。

由以上公式,進一步得到單個房間的動態熱負荷=房間各墻體的傳熱+窗戶的傳熱+滲透與侵入冷風量-太陽通過窗戶的輻射熱-人、機、設備輻射熱。

Q1=∑HG(n)iFi+K1F1(ta-tr)+

Qair-Qglass-Qp-Qe-Qs

(7)

2 結果分析

如圖3,圖4所示,選取供暖期的某周周六、日的各房間自然溫度以及室外溫度。由于室內走廊與外界接觸較少,對外散失熱量較少,所以溫度曲線與其他房間相比,溫度較高。而教師休息室兩側的教室,房間大小、結構、功能均一致,故兩房間室內溫度變化曲線較為接近。

通過計算分析,在同一樓層與教師休息室相鄰的三個房間：教室1、教室2、走廊,在教師休息室有無供暖的情況下,逐時熱負荷的變化。

通過圖5—圖7分析,當休息室無供暖時,相鄰的周圍供暖房間與休息室產生溫差傳熱,進而使逐時熱負荷增加。教室1逐時熱負荷增加了0.08 kW～0.18 kW;教室2逐時熱負荷增加了0.08 kW～0.16 kW;走廊逐時熱負荷增加了0.41 kW～1.07 kW。

從圖8,圖9可知,在教師休息室停止供暖時,雖然周圍房間會因為內墻兩側溫度不同進行溫差傳熱的影響,而使周圍房間的逐時熱負荷需求增大,但是差值遠小于供暖時教室休息室的熱負荷。且差值的變化曲線較為平緩,受到室外溫度變化的影響較小,即室外溫度處于極端值時,關閉建筑內一部分房間供暖,更加節能。

由于圍護結構存在熱惰性,這時無供暖下的休息室相對于相鄰房間的意義,即相當于教室一面墻成為了內含空氣夾層的墻體,室內熱量通過這面墻時,熱阻增大,傳到室外的熱量變少。即在休息室停止供暖時比供暖時減少了0.57 kW～2.17 kW供熱能耗。

3 結論

本文基于反應系數法原理與特征溫度法,研究了鄰室有無供暖時對相鄰房間的影響以及對總負荷的影響。

當供暖房間的鄰室因特殊情況不供暖時,因鄰室傳熱的作用對原本房間的逐時熱負荷造成了一定的影響,但是并未造成熱負荷較大的增長。反而因適當對特定房間停止供暖,而使總能耗降低。并且因為圖9差值的變化曲線較為平緩,受到室外溫度變化的影響較小,即室外溫度處于極端值時,關閉建筑內一部分房間供暖,更加節能。

若休息室不供暖時,不增加周圍鄰室的熱負荷,各房間產生的溫度波動(下降的溫度)小于0.01 ℃,不會對室內熱環境產生較大的影響。

本研究運用到實際建筑中,可進一步為建筑動態熱負荷逐室調控提供理論及實踐參考。