戶內(nèi)鄰室傳熱影響分析論文

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摘要以對(duì)鄰室傳熱進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，并將家具蓄放熱因素引入鄰室傳熱分析，給出了可用于工程計(jì)算的不同情況下的推薦鄰室傳熱溫差值。同時(shí)在此基礎(chǔ)上分析了鄰室傳熱負(fù)荷對(duì)戶內(nèi)采暖水系統(tǒng)的影響，得出了鄰室傳熱負(fù)荷可以不參與戶內(nèi)采暖系統(tǒng)水力計(jì)算的結(jié)論。此研究獲得的推薦數(shù)據(jù)及分析結(jié)論已得到大規(guī)模工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞計(jì)量供熱鄰室傳熱鄰室傳熱溫差鄰室傳熱負(fù)荷

1問(wèn)題的提出

與以往不具備分室溫度可調(diào)的傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)不同，計(jì)量供熱系統(tǒng)為熱消費(fèi)者提供了獨(dú)立控制室溫和熱消費(fèi)量的可能性。然而熱不同于電，亦不同于水，各戶獨(dú)立的控制對(duì)它戶基本無(wú)影響，熱是可以傳遞的，某戶處身的獨(dú)立行為調(diào)節(jié)勢(shì)必對(duì)他人產(chǎn)生影響，這種影響具體體現(xiàn)在：由于行為調(diào)節(jié)，某戶可能將其室內(nèi)溫度保持在某個(gè)較低水平，而引起它戶與之相鄰的房間采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷加大，我們將這種現(xiàn)象稱為鄰室傳熱。鄰室傳熱是通過(guò)分戶隔墻及樓板發(fā)生的，本文將就鄰室傳熱負(fù)荷的確定及對(duì)戶內(nèi)采暖管道系統(tǒng)的影響進(jìn)行討論。

2鄰室傳熱負(fù)荷的計(jì)算方法

2．1鄰室傳熱溫差Δt1的分析計(jì)算：

我們知道鄰室傳熱發(fā)生在戶間相鄰的樓板與分戶隔墻，其傳熱量可表達(dá)為：

（1）

式中：Ki、Fi----第i個(gè)傳熱面的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）和傳熱面積，m2；

n----鄰室傳熱面的總個(gè)數(shù)；

Δt1----鄰室傳熱溫差，℃；

tn----室內(nèi)設(shè)定溫度，℃；

tnx----不采暖房間的平衡溫度，℃；

式（1）中，Δt1的確定是求解的Qt關(guān)鍵，以下就Δt1的取值進(jìn)行分析：

2．1．1分析依據(jù)的條件

2．1．1．1建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)取值按"二步節(jié)能"[1]要求。

2．1．1．2分析選取的"不采暖"房間被采暖房間相鄰，且"不采暖"房間除鄰室傳熱外無(wú)熱量來(lái)源。

2．1．1．3采暖房間的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tn=18℃，計(jì)算用室外溫度tw=-9℃，冬季采暖室外平均溫度tw=-1.5℃。

2．1．2"不采暖"房間在建筑物中的位置描述

2．1．2．1北向中間層、中間位置，特點(diǎn)是：僅有一面北向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與之相鄰的鄰戶房間也僅且面北向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且外圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征完全一致。（鄰室傳熱面：樓板+樓板+分戶墻）。

2．1．2．2南向中間層、中間位置，特點(diǎn)與①相同。（鄰室傳熱面：樓板+樓板+分戶墻）。

2．1．2．3北向角房間，中間位置，特點(diǎn)：有兩面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（北、西），與之相鄰的鄰戶房間也具有兩面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（北、西），且外圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征完全一致。（鄰室傳熱面：樓板+樓板）。

2．1．2．4北向角房間，位于頂層，其余同③，但傳熱面只有一個(gè)樓板。

2．1．3典型房間的綜合熱特性β：

圖1a、b、c為南、北及角部三個(gè)典型房間平面，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)分別為：外墻KW=1.06W/(m2·K)，外窗（雙層）KS=2.7W/(m2·K)，外窗（單層Kd=4.7W/(m2·K)，屋頂KR=0.7W/(m2·K)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，分別計(jì)算北向中間層、南向中間層、北向頂層、南向頂層、角房間中間層及角房間頂層各房間的實(shí)際熱負(fù)荷（基準(zhǔn)熱負(fù)荷，不計(jì)鄰室傳熱），計(jì)算過(guò)程略，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，利用公式Q=β·（tn-tW），求β。β值即為典型房間的綜合熱屬性，同樣列于表1。其物理意義是，計(jì)算房間在室內(nèi)外溫差為1℃時(shí)的熱負(fù)荷值，單位為W/℃。

圖1

表1

位置北向中間層北向頂層南向中間層南向頂層角房間中間層角房間頂層

Q870.91172.4642.1943.61277.61579.1

β30.0340.4322.1432.5444.0654.45

2．1．4計(jì)算tnx、Δt1

由房間熱平衡關(guān)系可知，當(dāng)"不采暖"房間從鄰室獲得的熱量與該房間耗熱量相等時(shí)，該房間達(dá)到溫度穩(wěn)定，故有：

（2）

由公式（2）并代入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于（2）中4種房間不同座落位置時(shí)的值tnx。計(jì)算過(guò)程略，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2

位置①②③④

tnx11.6613.0210.362.1

13.4214.410.896.53

Δt6.344.987.6415.9

4.583.67.1111.47

上行tW=-9℃，下行tW=-1.5℃，樓板K值為2.56W/(m2·K)，分戶墻K值為1.74W/(m2·K)。

2．1．5實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比：上表所列的第①種情況與天津市龍?zhí)缎^(qū)節(jié)能示范工程中的2單元501室相近。1999.12.17～2000.2.1市房產(chǎn)研究所對(duì)2單元501室進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試是在鎖閉閥全關(guān)、無(wú)人居住的情況下進(jìn)行的。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

室溫實(shí)際測(cè)試結(jié)果表3[3]

建筑名稱龍?zhí)段骼锏?號(hào)樓2單元501室（非端頭鎖閉閥全關(guān)）

室內(nèi)空氣溫度℃室外空氣溫度℃

最高最低平均最高最低平均

15.913.214.351.60-11.20-4.53

將表中tW=-1.60℃，下行tW=-11.2℃,tW=-4.5℃，代入式（2）計(jì)算并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表4。

2．1．6實(shí)際情況下的鄰室傳熱溫差Δt1、tnx：

2．1．6．1由表4可知，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定偏差，平均為15%，而且均為實(shí)測(cè)室溫高于理論計(jì)算值，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是理論計(jì)算是按穩(wěn)定傳熱模型進(jìn)行的，而實(shí)際熱過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)，建筑砌體的蓄放熱水作用（南向房間尤為明顯）使室內(nèi)平衡溫度tnx向高于按穩(wěn)態(tài)傳熱理論計(jì)算的tnx值的方向漂移。

室溫理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較表4最高最低平均

1.60℃-11.2℃-4.5℃

計(jì)算值14.1511.1512.71

實(shí)測(cè)值15.913.214.35

相差百分?jǐn)?shù)12.37%18.39%12.90%

2．1．6．2前述對(duì)室內(nèi)溫度的計(jì)算與實(shí)測(cè)均地在極端情況下進(jìn)行的，即：戶內(nèi)散熱器流量為零，室內(nèi)無(wú)家具，無(wú)人居住。但在實(shí)際計(jì)量供熱的情況下，產(chǎn)生這種情況的概率很小，一般情況是：存在行為調(diào)節(jié)，但最大幅度莫過(guò)于早上上班前，將散熱器恒溫閥設(shè)置在較低水平，晚上下班后將其恢復(fù)至正常水平，是一種周期行為。而且相對(duì)于某個(gè)房間溫度而言，建筑砌體、家具處于周期性的蓄放熱過(guò)程中，而且在室內(nèi)維持正常溫度時(shí)間，房間的家具、砌體均處于蓄熱狀態(tài)。考慮以上因素的計(jì)算tnx的熱平衡方程為式（3），而不是式（2）。

（3）

上式中，除Q′S、Qf外，其余符號(hào)意義均同前，Q′S-散熱器在溫控閥低檔設(shè)定值的散熱量，據(jù)文獻(xiàn)[2]中表2-18的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)散熱器的相對(duì)流量為10%時(shí)，其相對(duì)散熱量最低為36%，此處取Q′S=30%·QS，QS為同一組散熱器在相對(duì)流量100%時(shí)的散熱量，其數(shù)值應(yīng)等于室內(nèi)為室溫tn時(shí)的房間熱負(fù)荷，即：

Q′S=0.3QS=0.3β(tn-tw)W（4）

式（3）中的Qf表示家具散熱量，其含義是：當(dāng)室溫低于設(shè)計(jì)狀態(tài)值tn時(shí)，室內(nèi)家具必然產(chǎn)生向房間的散熱，而且這種散熱過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的。有關(guān)Qf值的計(jì)算既無(wú)理論方法，亦為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。這里嘗試做一簡(jiǎn)單討論，首先引用家具充滿系數(shù)α，α=Vf/VR。Vf為家具體積，VR為房間體積，在討論中家具的概念為"當(dāng)量家具"即，所有真正含義上的家具，如桌、椅、床、柜等，以及紙制品、紡織品均視為家具。家具的體積，也不是通常意義上的空間體積，而將其視為單質(zhì)實(shí)體（實(shí)心體），具有某個(gè)密度和某個(gè)比熱，本分析中，取"當(dāng)量家具"的密度為300kg/m3，比熱為2000J/（kg·K）。在上述條件下，有：

Qf=αVRCρ(tn-tnx)/10×3600W（5）

將α=0.1,VR=3.3×4.5×2.8=41.58m3，C=2000J/（kg·K），ρ=300kg/m3代入式（5）得：

Qf=69.3(tn-tnx)W（6）

Q′S、Qf代入式（3）有下式：

（7）

同（4），計(jì)算Δt1、tnx，并將結(jié)果列于表5。

考慮散熱器最低散熱量時(shí)的Δt1與tnx表5

位置①②③④

tnx15.1215.7913.611.63

15.9216.414.813.406

Δt12.882.214.46.37

2.081.63.24.59

上行tW=-9℃，下行tW=-1.5℃。

對(duì)表5進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：①室外計(jì)算溫度tW的變化對(duì)Δt1的影響較有規(guī)律，為38%～40%之間，考慮tW=-9℃發(fā)生的頻率較低，Δt1可取以應(yīng)于tW=-1.5℃和tW=-9℃的中間值。②以南向房間為基準(zhǔn)，朝向?qū)Ζ1的影響達(dá)30%。③以中間層為基準(zhǔn)，房間位置對(duì)Δt1的影響達(dá)45%。④以非角房間為基準(zhǔn)，同一層、非角房間與角房間的Δt1差別可達(dá)50%。

綜上，可以有這樣的認(rèn)識(shí)：鄰室傳熱溫差Δt1不應(yīng)取一個(gè)固定數(shù)值，而應(yīng)是一個(gè)取值范圍，Δt1的具體取值必須考慮計(jì)算房間在建筑中的具體位置。

2．2鄰室傳熱負(fù)荷的計(jì)算及分析

以下根據(jù)表4與表5中的Δt1值（Δt1取對(duì)應(yīng)于tW=-9℃和tW=-1.5℃時(shí)的算術(shù)平均值）分別計(jì)算"（2）"中的列四種位置時(shí)典型房間的鄰室傳熱負(fù)荷以及所占基準(zhǔn)熱負(fù)荷的比例，負(fù)荷計(jì)算依據(jù)式（1）進(jìn)行，所采用的各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)同前述，在此不再一一列出，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

鄰室傳熱量及其占基準(zhǔn)熱負(fù)荷的比例表6

①②③④

Δt1（1）℃5.464.297.387.38

Q1（1）（W）534.84420.23560.74280.56

Q（W）870.9642.11277.61579.1

Q1（1）/Q（%）61.4165.4543.8917.77

Δt1（2）℃2.481.913.85.48

Q1（2）（W）242.93187.1288.73208.33

Q（W）870.9642.11277.61579.1

Q1（2）/Q（%）27.8929.1222.6013.19

*（1）表示極端情況時(shí)的數(shù)值。（2）表示實(shí)際計(jì)量供熱時(shí)的數(shù)值。

由列于表6的計(jì)算結(jié)果，可以注意下面幾個(gè)特點(diǎn)：①極端情況時(shí)的鄰室傳熱量最多達(dá)到基礎(chǔ)熱負(fù)荷的65%以上，相當(dāng)可觀；②對(duì)于實(shí)際計(jì)量供暖工程，即無(wú)論何種行為調(diào)節(jié)，均保證散熱器有最低流量，且房間均有人居住、有家具的情況下，鄰室傳熱量較極端情況減少了55%以上，占基冷熱負(fù)荷的比例也由最高65%降到了最高30%以下；③不同于以往的理解，不是頂層和角房間的鄰室傳熱比例大，而是中間層非角房間的鄰室傳熱比例大，其實(shí)深入分析可知，這生這一現(xiàn)象的原因是，角房間（中間層時(shí)）只有兩個(gè)鄰室傳熱面，而頂層角房間僅有一個(gè)鄰室傳熱面，而且角房間，特別是頂層角房間的自向基準(zhǔn)熱負(fù)荷值較大。