公共建筑供暖房間動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷及熱環(huán)境研究★

高淵清，王 迪，王雪錦，崔玉芳，張淼晴

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引言

公共建筑節(jié)能減碳是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)兩大戰(zhàn)略的重要領(lǐng)域,寒冷地區(qū)公共建筑的供熱能耗強(qiáng)度普遍較高,并由于建筑運(yùn)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(qū)相同功能的公共建筑,單位面積供熱能耗可能相差數(shù)倍。在國家能碳雙控的目標(biāo)下,隨著可再生能源利用占比在公共建筑區(qū)域供熱中逐漸增加,公共建筑區(qū)域供熱必須由工況設(shè)計(jì)向過程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變,才能科學(xué)確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行策略。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱是很復(fù)雜的現(xiàn)象。房間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)后,無論是得熱或失熱,都是動(dòng)態(tài)變化的,整個(gè)過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。室外氣象條件在整個(gè)時(shí)間過程中具有隨機(jī)性,特別是當(dāng)室內(nèi)溫濕度環(huán)境也呈隨機(jī)性變化時(shí),多采用反應(yīng)系數(shù)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(jì)算建筑空調(diào)采暖負(fù)荷與能耗的動(dòng)態(tài)方法,它解釋了房間(建筑)冷(熱)負(fù)荷或能耗與其他各種因素的相互關(guān)系[2],已被大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǔn)確計(jì)算一個(gè)房間或一棟建筑的動(dòng)熱負(fù)荷,需要考慮到建筑和單個(gè)房間本身、時(shí)間、氣象條件和人類使用的影響,其中人為因素是很隨機(jī)的,綜合各種可變的影響因素研究并利用更加精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)地計(jì)算處理綜合影響下的負(fù)荷關(guān)系[6-16]。對于單個(gè)特征房間的供熱需求計(jì)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(shù)學(xué)分析

由于鄰室的傳熱對房間的能耗產(chǎn)生了影響,本文基于CTM法,分析在周六、日教師休息時(shí),教師休息室無人而停止對該房間供暖時(shí)對隔壁相鄰教室供熱需求的影響。可結(jié)合氣象條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性等預(yù)測教師休息室的特征溫度,當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí),對于需要供暖的房間來說,由于房間內(nèi)部各種熱擾量趨于穩(wěn)定值,這個(gè)穩(wěn)定值便是該房間的特征溫度t∞(見圖1)。

在任意時(shí)刻,供暖房間室內(nèi)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(dāng)鄰室不供暖時(shí),Qa為負(fù)值;Q0為外界傳入的熱量,W;Qglass為通過玻璃進(jìn)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(nèi)設(shè)備散熱量,W;Qs為照明設(shè)備散熱量,W;Qx為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量,W;Q1為空調(diào)設(shè)備向房間供熱量,W。

(2)

關(guān)于外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的室外擾量分析,采用一個(gè)計(jì)算值,室外空氣綜合溫度：由室外氣溫和太陽輻射強(qiáng)度共同作用下的一個(gè)綜合溫度。實(shí)際上室外綜合溫度是假設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)外表面總換熱系數(shù),等于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之和,W/(m2·℃)。

通過大量研究,發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)函數(shù)系數(shù)和反應(yīng)系數(shù)之間有很大的關(guān)系,兩者之間關(guān)聯(lián)緊密,通過反應(yīng)系數(shù)的計(jì)算式可以求導(dǎo)出熱傳導(dǎo)的函數(shù)系數(shù)的計(jì)算式[19],在對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程可作一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題處理：主要求解兩個(gè)偏微分方程：導(dǎo)熱微分方程和傅里葉定律解析式。

(4)

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

(5)

教學(xué)樓非承重外墻為250 mm厚的加氣混凝土墻,內(nèi)墻為200 mm厚的加氣混凝土墻,根據(jù)陳友明教授《建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)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(gè)墻體的傳熱反應(yīng)系數(shù)Y(j)如表1所示。

由于各圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有蓄熱能力,擾量又在不斷變化,因此,這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程式并非是簡單的代數(shù)方程,而是一組微分方程。為了運(yùn)算求解,可以直接應(yīng)用傳熱和內(nèi)外表面吸熱反應(yīng)系數(shù)解之,tz為室外空氣綜合溫度,室內(nèi)空氣溫度tr為定值,則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)傳熱公式為：

(6)

表1 兩個(gè)墻體的傳熱反應(yīng)系數(shù)Y(j)

式(6)為教室室內(nèi)空氣通過外墻與室外空氣進(jìn)行的傳熱計(jì)算。

由以上公式,進(jìn)一步得到單個(gè)房間的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷=房間各墻體的傳熱+窗戶的傳熱+滲透與侵入冷風(fēng)量-太陽通過窗戶的輻射熱-人、機(jī)、設(shè)備輻射熱。

Q1=∑HG(n)iFi+K1F1(ta-tr)+

Qair-Qglass-Qp-Qe-Qs

(7)

2 結(jié)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(nèi)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(cè)的教室,房間大小、結(jié)構(gòu)、功能均一致,故兩房間室內(nèi)溫度變化曲線較為接近。

通過計(jì)算分析,在同一樓層與教師休息室相鄰的三個(gè)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(shí)熱負(fù)荷的變化。

通過圖5—圖7分析,當(dāng)休息室無供暖時(shí),相鄰的周圍供暖房間與休息室產(chǎn)生溫差傳熱,進(jìn)而使逐時(shí)熱負(fù)荷增加。教室1逐時(shí)熱負(fù)荷增加了0.08 kW～0.18 kW;教室2逐時(shí)熱負(fù)荷增加了0.08 kW～0.16 kW;走廊逐時(shí)熱負(fù)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(shí),雖然周圍房間會(huì)因?yàn)閮?nèi)墻兩側(cè)溫度不同進(jìn)行溫差傳熱的影響,而使周圍房間的逐時(shí)熱負(fù)荷需求增大,但是差值遠(yuǎn)小于供暖時(shí)教室休息室的熱負(fù)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(shí),關(guān)閉建筑內(nèi)一部分房間供暖,更加節(jié)能。

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

3 結(jié)論

本文基于反應(yīng)系數(shù)法原理與特征溫度法,研究了鄰室有無供暖時(shí)對相鄰房間的影響以及對總負(fù)荷的影響。

當(dāng)供暖房間的鄰室因特殊情況不供暖時(shí),因鄰室傳熱的作用對原本房間的逐時(shí)熱負(fù)荷造成了一定的影響,但是并未造成熱負(fù)荷較大的增長。反而因適當(dāng)對特定房間停止供暖,而使總能耗降低。并且因?yàn)閳D9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(shí),關(guān)閉建筑內(nèi)一部分房間供暖,更加節(jié)能。

若休息室不供暖時(shí),不增加周圍鄰室的熱負(fù)荷,各房間產(chǎn)生的溫度波動(dòng)(下降的溫度)小于0.01 ℃,不會(huì)對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。

本研究運(yùn)用到實(shí)際建筑中,可進(jìn)一步為建筑動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷逐室調(diào)控提供理論及實(shí)踐參考。