建筑供暖是为了满足人、生产及其它特殊的需要,当人们在室内工作、生活时,需要保持稳定、舒适的室内温度;当人们停止了工作,人去楼空时,应将室内温度降低至最低水平,即值班温度。因此,建筑供暖的室内温度应根据建筑的使用情况,进行随机调节,有利于建筑的节能。
1 室温调节的原理
在通常的供暖情况下,不论房间是否有人,室温都保持规定的温度tn,房间内墙、地板、设备的温度也为tn,与室内空气不进行热交换,房间通过外墙向室外的传热量为Qw,的散热量为Qs,近似认为二者相同。
Qw=Qs=K(tn-tw)F (1)
式中K为外墙传热系数,F为外墙传热面积,tw为室外计算温度。
当房间无人时,进行室温调节供暖,将室内温度tn降至值班温度tz,近似认为室温瞬间由tn降至tz。由于墙体的热惰性,内墙温度不可能在瞬间由tn降至tz,需要经历一个降温期。设所需时间为h,例如:240 mm砖墙,当两侧空气温度从18 ℃降至10 ℃时,墙中心温度需要经过58 h才能从18 ℃降至10 ℃。在降温期,外墙的传热量为Qw1,的散热量为Qs1,内墙向室内放热,传热量为Qn。
Qw1=Qs1+Qn=K(tz-tw)F (2)
经过降温期后,室内空气温度与内墙、地板、设备的温度趋向一致,达到值班温度tz,停止了热交换,进入值班期,设值班期经历的时间为Δh,此时,外墙的传热量为Qw2,的散热量为Qs2,二者应相等。
当房间有人时,室内升温过程与上述过程类似。此时,外墙的传热量为Qw3,的散热量为Qs3,内墙的吸热量为Qn。
Qw3=Qs3-Qn=K(tn-tw)F (3)
这样,经过降温期、值班期、预热期所需的时间为(2h+Δh),消耗的热能为:
K(tz-tw)FΔh (4)
而采用恒温供暖时,经过(2h+Δh)消耗的热能为:
Ew=K(tn-tw)F(2h+Δh)
=2K(tn-tw)Fh+
K(tn-tw)FΔh (5)
因为tn>tz,tn>(tn+tz)/2,E<Ew,因此,调节室温的供暖方式是节能的,当tz越小、Δh越大,节能效果越显著。
降温期、预热期所需的时间h取决于内墙的热物理特性,墙体的导热性能越差,h越大。由于房间内墙、地板、设备的h值不同,计算较为困难。在实际的调节过程中,可采用如下方法,例如办公楼,使用时间为18:00~8:00,共14 h,由于240 mm砖墙从18 ℃降至10 ℃时,需要经过58 h,而14 h是不能够满足需要的,为此,降温和预热时间h各取使用间隔时间的一半,即7 h,从18:00~1:00为降温期,从1:00~8:00为预热期,中间无值班期。当经过7 h的降温后,内墙的温度也许达不到值班温度,再经过7 h的预热后,内墙的温度将恢复到原来的室内温度。因此,只要预热时间≥降温时间,室内温度能够恢复到原来的温度。
以上室温调节过程需要经历一个预热期,如果缩短预热期(预热时间小于降温时间),或者取消预热期,要将室内温度很快恢复到使用温度,必须增加供热负荷,例如:提高热媒的温度和流量,或者在设计供暖系统时,放大管径、增大的面积。虽然增加了供热负荷,但缩短了预热期,仍具有节能效果。其缺点是:设备的初投资增加;由于室内温度不能快速恢复到使用温度,人们进入房间后的短时间内会有冷的感觉。