当前位置资料积累 >> 外保温住宅户间传热逐时负荷分析

外保温住宅户间传热逐时负荷分析

[ 字号：大中小 ] [ 关闭 ] 2009-2-12 11:08:04 来自网络作者：admin 浏览次数：次发表评论

关键词：传热

在居住建筑中实行供暖按户计量收费制度，是我国节约能源保护环境，实施可持续发展战略重要措施之一。在住宅按户计量供暖系统的设计改造中，供暖设计热负荷的确定，特别是用户分室调节导致的户间传热负荷的确定，成为工程研究部门关注的热点。

目前，我国住宅按户计量供暖设计热负荷的确定和户间传热负荷计算的关键性参数尚处于探讨之中，在一些地方的设计规程中出于急需采取“暂定”的办法^[1]。本文以目前较为普遍的钢筋混凝土外墙外保温高层住宅为对象，采用不稳态分析法，数值求解，分析住宅标准层和顶层的典型房间，采用分室调节时，即早晨8:00停止供暖及晚上17:00恢复供暖后，典型房间室温、热负荷及户间传热量的逐时变化规律。

2 室内外气象参数与典型住宅房间的选择

采用实际变化着的室外逐时气温作为分析依据。由于我国的现行《供暖通风设计规范》规定“供暖室外计算温度，应采用历年平均每年不保证5天的日平均温度”，北京地区供暖室外计算温度t_w^´为-9℃。因此，日平均温度为-9℃的气象资料对北京地区供暖研究具典型性，故选定该日为室外供暖计算日。在北京市气象资料中，冬季室外温度日平均值没有恰好为－9℃的纪录，采用日平均温度为-8.9℃日的逐时气温，见表1（北京市气象局54511号气象站提供的气象资料）和图1。

选择北京市某小区外墙外保温高层住宅A户和B户的标准层及顶层为研究对象，A户为北向住户，有两面外墙；B户为西北角住户，有三面外墙，如图2所示。各围护结构传热系数k值为：外墙k=0.724W/㎡·℃，屋面k=0.387W/㎡·℃，内墙k=1.78W/㎡·℃，楼板k=3.165W/㎡·℃。

表1 1997年1月7日逐时气温t_w（日平均温度为-8.9℃）

时刻	气温	时刻	气温	时刻	气温	时刻	气温
21:00	-9.2℃	3:00	-11.7℃	9:00	-12.2℃	15:00	-3.9℃
22:00	-9.0℃	4:00	-11.6℃	10:00	-7.3℃	16:00	-4.8℃
23:00	-10.0℃	5:00	-11.5℃	11:00	-6.8℃	17:00	-5.7℃
24:00	-11.1℃	6:00	-12.6℃	12:00	-6.3℃	18:00	-6.7℃
1:00	-11.3℃	7:00	-13.4℃	13:00	-4.8℃	19:00	-7.3℃
2:00	-12.1℃	8:00	-13.1℃	14:00	-4.2℃	20:00	-7.7℃

图1 室外温度逐时变化图

图2 北京某小区外墙外保温高层住宅平面图

3 典型房间不稳态传热数学模型

描述典型房间室温及不稳态传热数学模型，由围护结构的不稳态导热微分方程及其定解条件和房间空气热平衡方程组成。

3.1 围护结构不稳态导热微分方程

围护结构的不稳态导热，可视为一维不稳态导热问题。其导热微分方程式为^[2]：

_（1_）

式中：t为平壁任意厚度x处，在任意时刻τ的温度，即,℃；ρ为物体的密度，㎏/m³；C为物体的比热，J/㎏·℃；λ为物体的导热系数，W/m·℃。

对于均质材料，可近似认为λ为常数,则有:

（2）

式中：为热扩散系数，㎡/s。

3.2 围护结构不稳态导热定解条件

设室内温度为t_n，典型房间突然停止采暖时刻为，则定解条件为：

t_n=t₀=20℃(所有房间)

(典型房间) t₀=20℃(其它房间)

时，加内热源。

外围护结构边界条件：

x=0 |_x=0

x=δ |_x=_δ

内围护结构边界条件

x=0 |_x=0

x=δ |_x=_δ

式中：α_n为室内换热系数，8.7W/㎡·℃；α_w为室外换热系数，23.0W/㎡·℃；δ为围护结构厚度，㎜。

3.3 房间空气热平衡方程式

典型房间空气得失热量之和等于房间空气内能的变化，即

式中：F_i为第i个围护结构内表面的面积，m²；N为围护结构内表面的总数；F_c为外窗面积，m²；k_c为外窗传热系数，w/m²·℃；为阳台门面积，m²；为阳台门传热系数，w/m²·℃；为外窗及阳台门冷风渗透耗热量，w；为室内空气的密度，kg/m³；为室内空气的比热，J/kg·℃；V为室内空气的体积，m³；为恢复供暖后的供暖量，w。

该方程定解条件为：

当典型房间早8:00停止采暖，，；

当典型房间晚17:00恢复采暖，，。

4 房间不稳态传热问题的数值求解

本文采用有限差分法对上述不稳态传热数学模型进行数值求解。其中对时间变量采用向后差分的隐式格式，时间步长为Δτ=1h；对于几何变量，根据内外围护结构的特点，分别采用长度不等的均匀网格，对几何变量二阶导数采用中心差分，将以上数学模型转化为线性代数方程组。

将围护结构的物性参数、几何参数及初始条件(即时)代入差分方程组，利用计算机编程求解，即可得到早8：00停止供暖后及晚上17：00恢复供暖后的室内温度及户间传热量的逐时变化规律。求解结果见图3~15和表2~8。　　　　　

图3 屋面内节点温度试算初选值	图4 外墙内节点温度试算初选值
图5 外墙内初始温度分布	图6 屋面内初始温度分布
图7 室温逐时变化图（停暖）	图8 A户标准层户间传热量占邻室设计热负荷百分比（停暖）
图9 A户顶层户间传热量占　邻室设计热负荷百分比（停暖）	图10 B户标准层户间传热量占邻室设计热负荷百分比（停暖）
图11 B户顶层户间传热量占邻室设计热负荷百分比（停暖）	图12 按不同供暖量恢复供暖后 A户标准层室温逐时变化图
图13 按不同供暖量恢复供暖后 A户顶层室温逐时变化图	图14 按不同供暖量恢复供暖后 B户标准层室温逐时变化图
图15 按不同供暖量恢复供暖后 B户顶层室温逐时变化图

表2 典型房间停止供暖1小时后室温

	两面外墙(A户)		三面外墙(B户)
	标准层	顶层	标准层	顶层
室内温度(℃)	12.5~12.7	9.2~9.4	10.9~11.1	7.7~7.9
户间传热温差(℃)	7.3~7.5	10.6~10.8	8.9~9.1	12.1~12.3

表3 典型房间停止供暖1小时后户间传热量占邻室设计热负荷百分比x

	标准层			顶层
	楼板传热		内墙传热	楼板传热	内墙传热
	占标准层邻室	占顶层邻室
百分比（A户）	87.5~88.4%	77.0~77.8%	25.7~25.9%	126.3~128.9%	17.0~17.4%
百分比（B户）	71.4~74.5%	54.4~56.7%	33.1~34.2%	29.9~31.1%	12.1~12.6%

表4 用式概算户间传热量占设计热负荷百分比

户型（保持供暖）	三个邻户停暖时	两个邻户停暖时	一个邻户停暖时
A户顶层		50.8%~51.5%	25.4%~25.8%
A户次顶层	88.3%~89.9%	58.8%~59.9%	29.4%~30.0%
A户标准层	73.8%~74.7%	49.2%~49.8%	24.6%~24.9%
B户顶层		39.9%~41.4%	19.9%~20.7%
B户次顶层	70.2%~72.0%	46.8%~48.0%	23.4%~24.0%
B户标准层	60.4%~62.8%	40.3%~41.9%	20.1%~21.9%

注：1. F_i为各围护结构面积，㎡；x_i为各围护结构户间传热量占设计热负荷百分比。

　　2. 次顶层其上层为顶层，下层为标准层；标准层其上、下均为标准层。

表5 恢复供暖一小时后A户标准层室温

A户标准层
设计热负荷（W）	供暖量（W）	供暖量/供暖面积（W/m²）	供暖量/设计热负荷	室温（℃）
4071	4071	38	1:1	15.8
	6107	57	1.5:1	17.4
	7328	68	1.8:1	18.3
	9500	89	2.3:1	20.0

表6 恢复供暖一小时后A户顶层室温

A户顶层
设计热负荷（W）	供暖量（W）	供暖量/供暖面积（W/m²）	供暖量/设计热负荷	室温（℃）
5250	5250	49	1:1	14.7
	7875	74	1.5:1	17.3
	9450	88	1.8:1	19.0
	10550	98	2.0:1	20.0

表7 恢复供暖一小时后B户标准层室温

B户标准层
设计热负荷（W）	供暖量（W）	供暖量/供暖面积（W/m²）	供暖量/设计热负荷	室温（℃）
4783	4783	51	1:1	14.6
	7175	77	1.5:1	16.4
	8609	92	1.8:1	17.5
	12000	128	2.5:1	20.0

表8 恢复供暖一小时后B户顶层室温

B户顶层
设计热负荷（W）	供暖量（W）	供暖量/供暖面积（W/m²）	供暖量/设计热负荷	室温（℃）
5813	5813	62	1:1	13.3
	8722	93	1.5:1	16.0
	10466	112	1.8:1	17.8
	12900	138	2.2:1	20.0

5 结论

1. 早晨7:00~8:00室外气温最低，房间瞬时热负荷最大，若从早晨8：00开始停止供暖，约1小时后虽室内实感温度仍较高，但房间室内空气温度基本降到最低值，西北角标准层房间室温约为11.0℃，户间传热温差为9℃，顶层房间室温约为7.8℃，户间传热温差为12.2℃；北向标准层房间室温约为12.6℃，户间传热温差为7.4℃，顶层房间室温约为9.3℃，户间传热温差为10.7℃，而后随着室外气温变化，波动不大。有三面外墙房间的户间传热温差比有两面外墙房间的大1.6℃；顶层比标准层户间传热温差大3.2℃。

2. 当典型房间保持供暖时，其周围三邻户均停暖时，户间传热量占设计热负荷的百分比约为60%~90%；当其周围有两邻户停暖时，户间传热量占设计热负荷的百分比约为40%~60%；当其周围只有一个邻户停暖时，户间传热量占设计热负荷的百分比约为20%~30%。因此，户间传热量应根据住户所在位置和邻户调节规律按不同比例计入。

3. 当晚上17:00恢复供暖后，约1小时后房间室内空气温度基本升到最高值，其中，若按该房间设计热负荷供暖，室温可升到13.3℃~15.8℃左右；若按50%附加设计热负荷供暖，室温可升到16.0℃~17.4℃左右；若按80%附加设计热负荷供暖，室温可升到17.5℃~19.0℃左右；若要使房间室温达到20℃的设计值，实际供暖量约为设计热负荷的2.倍。因此，可按房间不同位置进行附加户间传热负荷。

4. 楼板传热占户间传热量的较大比重，因此楼板的保温问题值得探讨。