【论文精选】间歇供暖在散热器供暖房间的应用
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GAS-HEAT1978
《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……
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作 者： 王玉，郑文科，李选平，姜益强，陈永烨
第一作者单位：哈尔滨工业大学建筑学院
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
参考文献示例
1 概述
随着社会发展和人民生活水平的提高，我国经济与城市建设的能耗巨大。 2017 年我国建筑能源消费总量占全国能源消费总量的 21.10% ，呈现持续增长趋势 ［ 1 ］ 。建筑节能已经成为现代建筑技术的一个发展方向，也是我国建筑行业科技发展与产业建设的重要领域 ［ 2 ］ 。因此，发展“超低能耗建筑”“近零能耗建筑”及“零能耗建筑”，对于提高建筑能源利用率，推进我国建筑节能工作，建设资源节约型社会，走可持续发展道路具有重要意义。近零能耗建筑强调气候适宜性和以性能目标为导向 ［ 3 ］ ，使建筑达到极高的建筑能效。通过降低建筑本体能耗与运行能耗不断实现建筑的近零能耗，而间歇供暖根据建筑的使用功能与时间进行合理的分时间段供暖，是实现建筑节能的一项有效措施。
间歇供暖时房间的温度变化及能耗受到建筑形状、围护结构各部分尺寸、材料热工性能、保温方式、室外气象参数变化、供暖间歇时间间隔等诸多因素的影响 ［ 4 ］ ，结合不同热源、不同形式的供暖系统及采取不同的系统运行策略都会对供暖效果产生影响。建筑间歇供暖方面国内外学者研究颇多， Bloomfield 等人 ［ 5-6 ］ 在 1977 年就开始了间歇供暖运行控制策略的优化研究，后来将此问题转化为数学规划中的标准问题。李兆坚等人 ［ 4 ］ 针对北京节能建筑，利用 DeST 软件对住房间歇供暖特征进行数值模拟，模拟整个供暖期各个房间的热负荷、能耗以及室内热环境相关参数。陈玲等人 ［ 7 ］ 采用 DeST 和 DesignBuilder 软件模拟不同地区的不同功能建筑间歇供暖与连续供暖工况下的热负荷，利用热环境动态模拟法研究间歇供暖热负荷及热负荷附加问题。邹韦唯等人 ［ 8 ］ 利用 FLUENT 软件对地板辐射供暖房间间歇供暖过程进行数值模拟，探究系统运行中地面的蓄放热特性与室温变化特性。年梦婷 ［ 9 ］ 通过实验室测试和 Airpak 软件数值模拟计算方法研究散热器低温间歇供暖在合肥地区的热舒适性与节能性。
目前，国内外对于间歇供暖模式在近零能耗建筑上的应用研究较少，外围护结构对间歇供暖的影响研究不够全面，保证房间实用性下间歇性过量或欠量供暖对房间热环境及能耗影响有待研究。因此，本文针对外保温的一面、两面外墙与内保温的一面、两面外墙的不同围护结构保温形式对间歇供暖的运行特性展开研究，考虑近零能耗建筑本体结构蓄热性好的特点，利用数值仿真软件模拟散热器供暖房间建筑短期过量供暖与释热供暖，即过量、欠量供暖过程，分析房间热环境变化规律、供暖量对房间供暖效率与建筑能耗的影响，探索采用散热器进行间歇供暖时的运行模式。研究结果对间歇供暖应用于近零能耗建筑供暖系统的设计与实现合理运行方式具有参考价值。
2 模型建立与网格划分
①数学模型建立
建立数学模型时，需要对实际物理模型的影响因素进行简化，并做出以下基本假设：
a. 本模型为自然对流问题，空气密度是温度的函数；
b. 室内空气流动雷诺数较小，房间内空气的流动假定为稳态湍流的流动模型；
c. 忽略人体、照明等对室内热环境的影响；
d. 忽略冷风渗透和冷风侵入的耗热量。
对房间内流体求解控制方程 ［ 10 ］ ，包括连续性方程、动量方程以及能量方程，从而获得散热器供暖房间流场中各参数时间、空间的变化情况，研究房间内散热器供暖性能。
用湍流方程对仿真过程中的守恒方程进行封闭，工程应用中湍流数值模拟主要分为直接数值模拟（ DNS ）、大涡模拟（ LES ）及基于雷诺平均方程组（ RANS ） 的湍流模型三大类。雷诺平均方程组在目前工程流动数值计算中应用广泛 ［ 11 ］ ，本文采用雷诺平均方程组模型中的涡黏性模型。涡黏性模型中二方程模型是常用的模型，对于本研究选择 k- ω模型 ［ 12 ］ 作为湍流模型。
②物理模型与边界条件
本文利用 ICEM 软件建立房间几何模型，散热器采用电散热器，置于外窗下。考虑房间方位不同的影响，分别建立带有一面外墙和两面外墙的房间模型，房间几何模型见图 1 ，一面外墙房间只有散热器放置侧墙体为外墙，即西墙为外墙，上设有一面外窗；两面外墙房间比一面外墙房间多增设北墙为外墙。房间内部尺寸长×宽×高为 4.5 m × 3.6 m × 2.8 m ，一面外墙与两面外墙房间外部尺寸长×宽×高分别为 5.1 m × 3.9 m × 3.0 m 、 5.1 m × 4.2 m × 3.0 m 。
图 1 房间几何模型
引入外围护结构蓄热特性的传热计算，并建立外墙外保温和内保温两种形式研究不同保温形式的影响。近零能耗建筑具有高性能围护结构，根据建筑特点选取适当的建筑围护结构，房间的外围护结构由加气混凝土和 XPS 保温板组成，内墙为加气混凝土，楼板为钢筋混凝土。设置不同保温形式的外墙的各层材料厚度设置相等，以保证外保温墙体和内保温墙体传热系数相等。墙体材料的物性参数见表 1 。经计算，外墙传热系数为 0.11 W/ （ m 2 · K ），整窗传热系数为 1.00 W/ （ m 2 · K ）。
表 1 围护结构材料物性参数
外保温一面外墙房间模型、外保温两面外墙房间模型、内保温一面外墙房间模型、内保温两面外墙房间模型分别定义为模型 1 、模型 2 、模型 3 、模型 4 。采用结构化网格划分，网格划分结果见图 2 。
图 2 网格划分结果
数值仿真模拟条件：室内空气密度采用变密度模型，空气密度为温度的函数；散热器向室内散热，采用壁面定热流边界条件；外墙及外窗采用第三类边界条件，给定其表面传热系数；内墙及楼板设定为绝热壁面；考虑室外温度、太阳对建筑外围护结构的辐射等影响，室外空气温度取室外综合温度 ［ 13 ］ ，西外墙、北外墙室外综合温度分别见图 3 、 4 。
图 3 西外墙室外综合温度
图 4 北外墙室外综合温度
③网格无关性验证
数值仿真计算在对模型进行网格划分时，计算在 3.5 × 10 4 、 9.5 × 10 4 、 22 × 10 4 、 35 × 10 4 的网格数量下室内空气温度、外墙外表面温度及外墙内表面温度，进行网格无关性验证，得出当网格数量达到 22 × 10 4 时可满足计算的需求，因此选择 22 × 10 4 网格数量进行数值仿真计算。
3 不同房间过量或欠量供暖温度变化特征
本文在研究房间间歇供暖特性时，将室内空气设计温度取 20 ℃，外墙取室外综合温度计算的 24 h 内的平均冷负荷定义为基础供热量。给房间提供 n 倍供热量，即给房间的供热量为基础供热量的 n 倍。在基础供热量基础上增大或减小供热量即为过量或欠量供暖，本文所述欠量供暖为停止供暖，即此时房间供热量为 0 。为满足房间舒适性与蓄热的需要，在房间室内温度为 18 ℃时开始供暖，在室内温度达到 26 ℃时停止供暖，直至房间温度再次下降至 18 ℃，将此过程记为一个供停暖周期。
①模型 1~4 房间温度变化情况
不同房间过量或欠量供暖温度变化情况见表 2 ，表中—表示未进行该工况的模拟，供暖时间比例为在一个供停暖周期内，供暖时长占供停暖周期的百分比。从表中可以得出模型 1~4 房间在不同供热量下的升温时间、降温时间、供暖时间比例以及供停暖周期内室内平均温度。
表 2 不同房间过量或欠量供暖温度变化情况
房间外围护结构主要由保温材料和混凝土组成。保温材料的特点是热导率小，蓄热性能差，热惰性小，保温性好；混凝土材料特点是蓄热性能好，热惰性大，保温性能差。当采用内保温时，墙体外层材料为混凝土，容易产生“热桥”。当采用外保温时，可以防止出现“热桥”，消除由于“热桥”造成的附加热损失。
②模型 1
对此房间进行不同供热量下过量或欠量供暖数值模拟，得到 2 倍、 5 倍供热量时模型 1 房间温度变化，分别见图 5 、 6 。
图 5 2 倍供热量时模型 1 房间温度变化
图 6 5 倍供热量时模型 1 房间温度变化
由图 5 可知，经过约 155.7 h ，室内空气温度从 18 ℃升至 26 ℃；室内空气温度上升至上限 26 ℃时停止供暖，停供 152.8h 后室内空气温度下降至温度下限 18 ℃。室内温度的小幅度波动是室外温度变化导致。供暖时间比例为 49.6% ，此时室内平均温度为 22.4 ℃。如图 6 所示， 5 倍供热量时，室内空气温度从 18 ℃升至 26 ℃经过了大约 7.6 h ；室内空气温度上升至上限时停止供暖， 43.4 h 后室内空气温度下降至 18 ℃。供暖时间比例为 14.6% ，室内平均温度为 19.8 ℃。
分析供暖时模型 1 房间温度变化情况可知，供暖初期，室内空气温度和外墙内表面温度均迅速升高，室内空气的温升速率明显大于外墙内表面，两者温差明显；当升至一定温度时，室内空气和外墙内表面的温升速率明显降低，两者温差较为恒定；停止供暖后，房间温度降低，外墙内表面温降小于室内空气温降，两者温差迅速减小；此后室内空气温度和外墙内表面温降速率基本一致，两者温差很小。
供暖时，散热器不断向室内散热，外墙与外窗向室外散热，初始阶段室内空气与外墙内表面温度均线性升高，温升速率大。由于室内空气的温升速率大于外围护结构，两者温差逐渐增大，外围护结构附近冷热空气由于温差的增大而增强对流传热，通过外围护结构的对流换热量增加，此时的升温呈现非线性过程。随后室内空气温度与外墙内表面温度温差趋于稳定，此时墙体内表面热流较稳定。停止供暖后，由于室内空气温度较高，通过外围护结构向室外的散热量仍很大，因而室内空气温降大。随着室内空气温度的下降，与外围护结构的温差减小，散热量减小，室内温度的下降平缓。
随着供热量的增加，室内空气和外墙内表面的温升速率均显著增加，停暖后两者的温降速率也增加，且供暖时间占整个供停暖周期的比例逐渐减小。
由于过量或欠量供暖时的温度上下限恒定，因而过量供暖的时间随着供热量增加而减少，供暖时间越少，墙体的内表面温度越低且墙体的蓄热量越少。此时欠量供暖时间也减少，不同的供热量具有不同的供停暖周期。
③模型 2~4 温度变化及对比分析
模型 2~4 房间温度变化分别见图 7~12 。
图 7 2 倍供热量时模型 2 房间温度变化
图 8 5 倍供热量时模型 2 房间温度变化
图 9 2 倍供热量时模型 3 房间温度变化
图 10 4 倍供热量时模型 3 房间温度变化
图 11 2 倍供热量时模型 4 房间温度变化
图 12 4 倍供热量时模型 4 房间温度变化
由图 7 、 8 可以看出，供暖初期，模型 2 室内空气温度和外墙内表面温度温升较快，但外墙内表面温升明显小于室内空气温升，西外墙内表面温度一直高于北外墙，这是由于西外墙受到的太阳辐射多，室外综合温度高，且室内散热器放置于西外墙内侧。停止供暖后，室内空气温度和外墙内表面温度先迅速下降，之后温降变缓且温降速率趋于一致。随着供热量的增加，供暖时房间温升速率增加而停供时温降速率也更快，供暖时间比例逐渐降低。
对于模型 3 ，对比分析图 5 、 6 、 9 、 10 可知，当供热量倍数和外墙数量一致时，对比内保温房间与外保温房间温度升降情况，内保温房间室内空气温升速率更快，停止供暖后室内温降速率也更快。供暖时间比例无太大差别。
对于模型 4 ，对比分析图 9~12 可知，在供热量倍数及保温形式相同情况下，两面外墙房间与一面外墙房间相比，两面外墙房间的室内空气温升速率更快，停止供暖后室内温降速率也更快。
4 过量或欠量供暖房间能耗分析
①房间供暖效率分析
本文用供暖时间比例表征供暖效率，供暖时间比例小，则供暖效率高。对比不同模型不同工况下供暖效率，模型 1 房间 6 倍供热量的供暖时间比例比 2 倍供热量减小了 87 . 5% ；模型 2 房间在 5 倍供热量下的供暖时间比例比 2 倍供热量减小了 61 . 4% ；模型 3 房间 5 倍供热量下的供暖时间比例比 2 倍供热量减小了 84 . 8% ；对于模型 4 房间，在 3 倍供热量工况下，停止供暖时刚好为室外综合温度较低时，而由于房间供暖时间短，蓄热量较少，对室外温度波动更敏感，因而此时温度下降更快，出现供暖时间比例大于 2 倍供热量工况的情况。由以上分析，除模型 4 外，随着供热量的逐渐增加，供暖时间比例基本表现为逐渐下降。
②不同供暖模式能耗分析
对于间歇供暖房间，求取一个供停暖周期内不同供暖工况下各房间在供暖阶段的能耗在整个供停暖周期的时间平均值，记为平均能耗，并计算在维持室内温度为 20 ℃时连续供暖工况下各房间的时间平均能耗，计算结果见表 3 。
表 3 不同模型不同供暖工况平均能耗 W
从表 3 可以得出，连续供暖工况下的平均能耗基本大于过量或欠量供暖工况。对于模型 1~3 房间基本呈现供热量与平均能耗负相关趋势，对于模型 4 房间，过量或欠量供暖工况的平均能耗大于连续供暖工况，这是由于在过量或欠量供暖工况下的房间室内温度受到室外综合温度波动影响较大，房间计算负荷较大，供热量大，出现时间平均能耗增加的现象。对比模型 2 、 4 ，在 2~4 倍供热量下，模型 4 房间的平均能耗比模型 2 房间分别增加了 63 . 1% 、 172 . 0% 、 56 . 5% ，由此可知内保温房间的平均能耗大于外保温房间的平均能耗。对比模型 1 、 2 ，在 2~5 倍供热量下，模型 2 房间的平均能耗比模型 1 房间分别增加了 46 . 4% 、 58 . 3% 、 114 . 3% 、 90 . 6% ，由此知两面外墙房间的平均能耗均大于一面外墙的平均能耗，这是由于两面外墙房间的外围护结构面积更大，向室外的散热量更大。
5 结论及建议
①同一房间供热量增加，供暖与停暖时室内空气温升、温降速率均加快，供暖时间比例减小，供暖效率提高，房间过量或欠量供暖工况比连续供暖工况的平均能耗小，且与房间的供热量呈现负相关关系。当供热量从 2 倍基础供热量增加到 6 倍时，外保温一面外墙房间的供暖时间比例减小了 87 . 5% ，平均能耗减小了 32 . 8% 。
②房间供热量倍数和外墙数量相同，外墙保温形式不同时，内保温房间比外保温房间在供暖及停暖时的空气温升、温降速率加快，供暖时间比例无明显变化，内保温房间的平均能耗大于外保温房间。从 2 倍供热量到 4 倍供热量，内保温两面外墙房间的平均能耗比外保温两面外墙房间分别增加了 63 . 1% 、 172 . 0% 、 56 . 5% 。
③房间供热量倍数和外墙保温形式相同，外墙数量不同时，两面外墙房间比一面外墙房间在供暖及停暖时的空气温升、温降速率加快，两面外墙房间的平均能耗大于一面外墙房间。从 2 倍供热量到 5 倍供热量，外保温两面外墙房间的平均能耗比外保温一面外墙房间分别增加了 46 . 4% 、 58 . 3% 、 114 . 3% 、 90 . 6% 。
④通过对近零能耗居住建筑中散热器间歇运行房间在不同工况下的数值模拟结果与分析，可以得到外保温墙体更利于建筑节能，同时，根据居住建筑人员的生活作息以及房间外墙数量等，综合考虑供暖效率、建筑能耗，选择合理的系统间歇运行方式，控制间歇供暖时间与供暖品质，提高供暖效率，实现房间舒适、实用与节能，为近零能耗建筑弹性供暖设计与运行提供支持。
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（本文责任编辑：刘灵芝）
低温地面辐射供暖间歇运行室温变化模拟
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