李選平，劉 蓮，王 玉，陳永燁，鄭文科，姜益強

(1.哈爾濱工業(yè)大學建筑學院，黑龍江，哈爾濱 150001；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國建筑西南設(shè)計研究院，四川 成都 610041)

人類的日常生活都在建筑之中，能源是經(jīng)濟發(fā)展中必不可少的資源.查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，在任何國家，建筑能耗占總能耗比例較大，截止到2016年，我國建筑能耗占到總能源耗費的20 %，并且有逐漸上升的趨勢[1].所以，在保證室內(nèi)熱環(huán)境舒適和基本利益的前提下，將超低能耗、近零能耗、零能耗應(yīng)用于建筑，改善能源的使用效率，減少建筑能耗獲得了全球廣泛關(guān)注.而在供暖需求較短的建筑中，間歇供暖相比于連續(xù)供暖能夠有效的節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，因此廣泛的應(yīng)用間歇供暖有助于降低建筑能耗達到建筑節(jié)能的目的.

首先，關(guān)于建筑蓄熱性國內(nèi)外許多學者都在這一方向進行了研究.Ogoli[2]通過建立不同材料的建筑模型，研究了材料的蓄熱性能對房間熱環(huán)境的影響；陳濱[3]對建筑進行了實際運行的控制和監(jiān)測，并通過理論分析，總結(jié)出地板輻射間歇供暖形式室內(nèi)熱環(huán)境與外圍護結(jié)構(gòu)的蓄放熱特性的關(guān)系.王厚華[4]建立了物理數(shù)學模型，采用Fluent模擬計算得出外保溫墻體比內(nèi)保溫墻體對溫度的延遲時間更長的結(jié)論.

關(guān)于建筑間歇供暖方面，國內(nèi)也有不少學者在該領(lǐng)域進行了研究.袁麗婷[5]等提出了有效能耗的概念，并對間歇供暖房間的室內(nèi)空氣溫度、圍護結(jié)構(gòu)溫度和房間能耗進行實測和分析.胡文舉[6]等采用Trnsys軟件，對3種供暖模式下的室內(nèi)熱環(huán)境和建筑能耗的影響進行模擬研究.陳玲[7]等采用DeST-h軟件對不同地區(qū)、建筑的連續(xù)和間歇供暖進行模擬計算，并分析間歇供暖熱負荷的變化規(guī)律.

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，目前對于間歇供暖在近零能耗建筑上應(yīng)用的研究相對較少；外圍護結(jié)構(gòu)的保溫形式對間歇供暖運行模式的影響尚不明確；系統(tǒng)短期內(nèi)過量/欠量供暖對室內(nèi)熱環(huán)境及建筑能耗影響有待研究.因此，本文利用模擬軟件研究地板輻射采暖房間過量/欠量供暖條件下，外保溫的一面、兩面外墻與內(nèi)保溫的一面、兩面外墻的外圍護結(jié)構(gòu)形式對系統(tǒng)能耗和室內(nèi)熱環(huán)境的影響以及供暖量對房間供暖效率和建筑能耗的影響，為間歇供暖在近零能耗建筑上的應(yīng)用提供參考.

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 數(shù)學模型建立

1.1.1 基本假設(shè)

建立數(shù)學模型時，需要對實際物理模型的影響因素進行簡化，并做出以下基本假設(shè)：

(1)本模型為自然對流問題，空氣密度是溫度的函數(shù)；

(2)假設(shè)室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

(3)忽略了人體、照明等對室內(nèi)熱環(huán)境的影響；

(4)忽略了冷風滲透和冷風侵入的耗熱量.

1.1.2 控制方程

在對房間內(nèi)地板輻射采暖性能進行模擬研究時，通過對連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程進行求解，從而獲得流場中各參數(shù)時間、空間的變化情況.

(1)連續(xù)性方程

(1)

公式中：ρ為密度，kg/m3；ui、uj、uk為速度矢量在i、j、k方向上的分量，m/s；xi、xj、xk為微元體坐標，m.

(2)動量方程

(2)

公式中：p為微元體上的壓力，Pa；τij為粘滯力，Pa·s；Fi為作用于微元上的外力的沖量，N/m.

(3)能量方程

(3)

公式中：T為溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為流體的定壓比熱，J/(kg·K)；ST表示能源項，W/m3.

1.1.3 湍流模型

仿真過程中的守恒方程需要用湍流方程進行封閉，工程應(yīng)用中湍流數(shù)值模擬主要分為三大類：直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)及基于雷諾平均方程組(RANS)的湍流模型.本文采用雷諾平均方程組模型中的渦黏性模型.渦黏性模型中二方程模型是常用的模型，對于本研究選擇k-ω模型作為湍流模型，如下式所示：

(4)

公式中：k為湍動能；ω為湍動耗散率；Pk為湍動能的生成項；Cu，Cω1，Cω2為有效系數(shù)。

1.1.4 輻射模型

本文研究的是地板輻射采暖對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，因此在仿真過程中需要引入輻射模型，此時能量方程中的能源源項按公式(5)計算：

ST=a(4σT4-G)，

(5)

公式中：a為吸收系數(shù)，1/m；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；G為入射輻射強度，W/m2.

本研究中的輻射模型為DO模型，其為FLUENT中的常用輻射模型，具體形式如公式(6)所示：

(6)

1.2 物理模型與邊界條件

本文建立了近零能耗建筑房間的幾何模型，房間外部尺寸為5.1 m×3.9 m×3 m，內(nèi)部尺寸為4.5 m×3.6 m×2.8 m.考慮房間方位不同的影響，分別建立一面、兩面外墻的模型，并引入外圍護結(jié)構(gòu)蓄熱特性的傳熱計算。為了研究不同保溫形式的影響，建立了外墻外保溫和內(nèi)保溫兩種形式.房間幾何模型如圖1所示.由于所研究的模型較為規(guī)整，因此本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.

圖1 房間幾何模型圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

該房間的外圍護結(jié)構(gòu)由加氣混凝土和XPS保溫板組成，其中加氣混凝土厚度為200 mm，XPS保溫板的厚度為250 mm.內(nèi)墻為加氣混凝土，樓板為鋼筋混凝土.墻體材料的物性參數(shù)如表1所示.

表1 圍護結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)

仿真過程中，因為室內(nèi)空氣流動為自然對流，因此引入密度變化模型，令空氣密度為溫度的函數(shù).地板向室內(nèi)供熱，采用壁面定熱流邊界條件；內(nèi)墻采用絕熱壁面條件；外墻及外窗與室外空氣直接接觸，因此采用第三類邊界條件，給定對流換熱系數(shù)，考慮建筑方位、太陽輻射以及風速的影響，空氣溫度取室外綜合溫度，如圖3所示.

圖3 室外綜合溫度

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在仿真計算時，應(yīng)當充分考慮計算效率與計算準確度的要求，即在保證仿真計算準確性的前提下應(yīng)盡量減少網(wǎng)格數(shù)量.選取網(wǎng)格數(shù)量為3.5萬、9.5萬、22萬、35萬的網(wǎng)格對室內(nèi)溫度、外墻內(nèi)表面溫度和外墻外表面溫度進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證.

根據(jù)圖4可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，空氣溫度與外墻內(nèi)表面溫度無明顯變化，但外墻外表面溫度減小.當網(wǎng)格數(shù)量大于22萬時，外墻外表面溫度變化較小，可知22萬的網(wǎng)格數(shù)量對滿足計算效率與計算準確度的需要，因此選擇22萬網(wǎng)格數(shù)量為計算網(wǎng)格.

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)各點溫度變化

2 外保溫房間過量/欠量供暖溫度變化特征

2.1 一面外墻房間溫度變化規(guī)律

首先對外保溫房間的間歇供暖性能開展研究，房間初始溫度為18 ℃，室外空氣溫度為室外綜合溫度.將該類型房間的基礎(chǔ)供熱量定義為室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃的外保溫一面外墻房間的設(shè)計負荷.經(jīng)計算，該類型房間基礎(chǔ)供熱量為143 W.給房間提供n倍供熱量，即為對給房間的供熱量為基礎(chǔ)供熱量的n倍.對外保溫一面外墻的房間進行過量/欠量供暖數(shù)值的模擬，如圖5～圖7所示，同時比較分析了不同供熱量工況下房間升降溫曲線.房間在室內(nèi)溫度為18 ℃時開始供暖，在室內(nèi)溫度達到26 ℃時停止供暖，停止供暖后待室內(nèi)空氣溫度再次下降到18 ℃以下，將此過程記為一個供停暖周期.

圖5 3倍供熱量時外保溫一面外墻房間升降溫曲線

外保溫一面外墻房間在3倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖5所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約110.5 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供152.8 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.室外溫度的變化影響到室內(nèi)溫度存在小幅度的波動.供暖時間是供停暖周期的42%.

圖6 5倍供熱量時外保溫一面外墻房間升降溫曲線

外保溫一面外墻房間在5倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖6所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約18.5 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供109.8 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的14.4%.

圖7 8倍供熱量時外保溫一面外墻房間升降溫曲線

外保溫一面外墻房間在8倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖7所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約4.5 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供70.5 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的6.4%.

對比分析圖5～圖7得知，供暖初期，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度顯著上升，外墻內(nèi)表面的溫升速率小于室內(nèi)溫升速率；隨著供熱量的增加，室內(nèi)空氣溫升速率顯著增加，停止供暖后室內(nèi)空氣溫度下降速率也更迅速且供暖時間占整個供停暖周期的比例也逐漸降低；由于升溫過程中，地板不斷向室內(nèi)散熱，而外墻與外窗不斷向室外散熱，由于室內(nèi)空氣溫度升高導(dǎo)致窗戶附近的冷熱空氣溫差增大，自然對流增強，空氣的湍動程度增大，因此通過窗戶的對流換熱量增加，此時升溫過程呈非線性。當停止供暖以后，室內(nèi)通過窗戶向外的散熱量仍然很大，室內(nèi)溫度呈非線性下降。經(jīng)過一段時間以后，室內(nèi)溫度下降到一定程度，外窗與室內(nèi)空氣溫度差減小，自然對流強度下降，室內(nèi)空氣湍動程度下降，通過外窗向室外的散熱量變化較小，室內(nèi)溫度的下降趨勢呈平滑下降狀態(tài)。不同供熱量具有不同的供暖周期是因為不同供熱量升至同一溫度，停止供暖后都降至同一溫度，即該過程是以溫度為上下限，因此不同供熱量具有不同的供暖周期.

2.2 兩面外墻房間溫度變化規(guī)律

將兩面外墻房間的基礎(chǔ)供熱量定義為室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃的外保溫兩面外墻房間的設(shè)計負荷，經(jīng)計算，該類型房間基礎(chǔ)供熱量為217 W.對外保溫兩面外墻的房間進行過量/欠量供暖數(shù)值的模擬，如圖8～圖10所示，同時比較分析了不同供熱量工況下房間升降溫曲線.

外保溫兩面外墻房間在3倍供熱量時，室內(nèi)溫度和外墻保溫層內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖8所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃上升到26 ℃使用了大約37.2 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供79.7 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的31.8%.

圖8 3倍供熱量時外保溫兩面外墻房間升降溫曲線

外保溫兩面外墻房間在5倍供熱量時，室內(nèi)溫度和外墻保溫層內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖9所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃上升到26 ℃使用了大約9 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供56.3 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的13.8%.

圖9 5倍供熱量時外保溫兩面外墻房間升降溫曲線

外保溫兩面外墻房間在8倍供熱量時，室內(nèi)溫度和外墻保溫層內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖10所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃上升到26 ℃使用了大約1.2 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供22.7 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的5%.

對比分析圖8～圖10得知，供暖初期，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面顯著上升，外墻內(nèi)表面溫升速率要小于室內(nèi)溫升速率；北外墻與西外墻溫度變化趨勢相似，其原因在于本文采用的是地板輻射供暖的方式.隨著供熱量的增加，室內(nèi)空氣溫升速率顯著增加，停止供暖后室內(nèi)空氣溫度下降速率也更迅速且供暖時間占整個供停暖周期的比例也逐漸降低.

3 內(nèi)保溫房間過量/欠量供暖溫度變化特征

3.1 一面外墻房間溫度變化規(guī)律

對內(nèi)保溫房間內(nèi)間歇供暖的影響開展研究.將一面外墻房間的基礎(chǔ)供熱量定義為室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃的房間的設(shè)計負荷.經(jīng)計算，該類型房間基礎(chǔ)供熱量為216 W.對內(nèi)保溫一面外墻的房間進行過量/欠量供暖數(shù)值的模擬，如圖11～圖12所示，同時比較分析了不同供熱量工況下房間升降溫曲線.

圖11 3倍供熱量內(nèi)保溫一面外墻房間升降溫曲線

內(nèi)保溫一面外墻房間在3倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖11所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約35.5 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供78.5 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的31.1%.

圖12 5倍供熱量內(nèi)保溫一面外墻房間升降溫曲線

內(nèi)保溫一面外墻房間在5倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖12所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約8 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供54.8 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的12.7%.

對比分析圖5、圖6、圖7、圖11、圖12得知，在供熱量以及墻體數(shù)量一致的情況下，內(nèi)保溫房間與外保溫房間相比，內(nèi)保溫的室內(nèi)空氣溫升速率更快，停止供暖后室內(nèi)溫度下降速率也更快且供暖時間占整個供停暖周期的比例也相對較低.

3.2 兩面外墻房間溫度變化規(guī)律

將內(nèi)保溫兩面外墻房間的基礎(chǔ)供熱量定義為室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃的房間的設(shè)計負荷.經(jīng)計算，該類型房間基礎(chǔ)供熱量為318 W.對內(nèi)保溫兩面外墻的房間進行過量/欠量供暖數(shù)值的模擬，如圖13～圖14所示，同時比較分析了不同供熱量工況下房間升降溫曲線.

圖13 3倍供熱量內(nèi)保溫兩面外墻房間升降溫曲線

內(nèi)保溫兩面外墻房間在3倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖13所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約18.3 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供36.5 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的33.4%.

圖14 5倍供熱量內(nèi)保溫兩面外墻房間升降溫曲線

內(nèi)保溫兩面外墻房間在5倍供熱量時，室內(nèi)空氣溫度和外墻內(nèi)表面溫度的變化規(guī)律，如圖14所示.室內(nèi)空氣溫度從18 ℃升至26 ℃使用了大約1.7 h；室內(nèi)空氣溫度上升至上限時停止供暖，停供12 h后室內(nèi)空氣溫度小于溫度下限.供暖時間是供停暖周期的12.4%.

對比分析圖11～圖14得知，在供熱量以及保溫形式相同的前提下，兩面外墻與一面外墻相比，兩面外墻的室內(nèi)空氣溫升速率更快，停止供暖后室內(nèi)溫度下降速率也更快.但墻體數(shù)量對供暖時間占整個供停暖周期的比例沒有太大影響.

4 過量/欠量供暖房間能耗分析

4.1 房間供暖效率分析

供暖時長百分比為在一個供暖周期中，供暖時長占整個供暖周期的百分比，以此來表征供暖效率的大小，即

(5)

公式中：n為供暖時間比例；tg為供停暖周期的供暖時長，h；t為供停暖周期的總時長，h.

圖15 不同供暖模式下供停暖時間比例

供暖效率與供暖時長百分比呈負相關(guān)關(guān)系，通過計算不同外圍護結(jié)構(gòu)和供暖模式下的供暖時長百分比，從而得出供暖效率的變化規(guī)律.計算得出各種條件下的供暖時長百分比如圖15所示.

不同工況下供暖時長百分比如圖15所示.外保溫一面外墻房間的供暖時間比例從3倍供熱量到10倍供熱量減小了91.4%；內(nèi)保溫一面內(nèi)墻房間的供暖時間比例從3倍供熱量到8倍供熱量減小了84.2%；外保溫兩面外墻房間的供暖時間比例從3倍供熱量到8倍供熱量減小了84.3%；內(nèi)保溫兩面外墻房間的供暖時間比例從3倍供熱量到5倍供熱量減小了62.9%.因此可知，隨著供熱量逐步提高，供暖時長百分比逐漸下降.

4.2 不同供暖模式能耗分析

在整個供停暖周期內(nèi)不同類型供暖房間能耗的平均值為平均能耗.增加一個連續(xù)供暖形式并能夠維持室內(nèi)溫度為20 ℃的新工況，并計算出供停暖周期內(nèi)不同外圍護結(jié)構(gòu)和供暖工況時的平均能耗，如圖16所示.

圖16 不同供暖模式平均能耗

不同供暖模式的平均能耗，觀察到連續(xù)供暖模式比過量/欠量供暖模式能耗大，且供熱量與房間平均能耗呈負相關(guān)關(guān)系，如圖16所示.將圖16(b)和圖16(d)進行對比分析，內(nèi)保溫兩面外墻房間平均能耗與外保溫兩面外墻房間平均能耗相比，在3倍、4倍、5倍供熱量下，內(nèi)保溫房間要比外保溫房間分別增加了54.1%、50.3%、32.3%.可得知內(nèi)保溫房間平均能耗相對于外保溫房間的平均能耗有顯著增加.其主要原因為外保溫墻體相對內(nèi)保溫墻體具有更好的蓄熱性能，可以有效的減少從外窗耗散的熱量.對比圖16(a)和圖16(b)，在3倍～6倍和8倍供熱量下，外保溫兩面外墻房間比外保溫一面外墻房間分別增加了28.9%、30.8%、30.9%、29.3%、16.5%.可得知兩面外墻房間平均能耗均大于一面外墻的平均能耗，是因為兩面外墻的房間向外散熱的圍護結(jié)構(gòu)面積大，散熱更快.不同的供暖模式平均能耗差異大是因為不同供暖模式產(chǎn)生的熱量在空氣與墻體中的分配不同，房間內(nèi)的空氣溫度變化過程又顯著差異，因此導(dǎo)致不同供暖模式下的平均能耗有所區(qū)別。

5 結(jié) 論

(1)在供熱量及外墻數(shù)量相同的情況下，內(nèi)保溫比外保溫房間空氣溫升速率快，室內(nèi)空氣溫度升至上限的時間更短，停止供暖后室內(nèi)空氣溫度降至下限的時間也更短，供熱效率更高.

(2)相同的保溫形式和外墻數(shù)量情況下，隨著供熱量的增加，空氣溫升速率加快，供暖時間占整個供暖周期的比例越小，停止供暖后室內(nèi)空氣溫度下降到下限的時間也越短，供熱效率越高.

(3)在其他條件一致的情況下，過量/欠量供暖模式比連續(xù)供暖模式的平均能耗小且供熱量與平均能耗呈負相關(guān)關(guān)系；內(nèi)保溫房間與外保溫房間相比，內(nèi)保溫房間的平均能耗較高；兩面外墻的平均能耗大于一面外墻的平均能耗.