近年来,随着居民生活水平的提高,人们对室内热舒适状态更加关注,每到冬季,南方供暖的话题总是能引起广泛关注和讨论。

　　 南方地区主要包括江苏大部、安徽大部、浙江、上海、湖北、湖南、江西、福建、云南大部、贵州、四川东部、重庆、陕西南部、广西、广东、香港、澳门、海南、台湾、甘肃东南部与河南信阳市、南阳市,该地区由于冬季室外气候环境恶劣,居民自发的供暖行为较为普遍。自2005年开始,武汉就启动了“冬暖夏凉”工程,目标是到“十二五”末,集中供热供冷覆盖区域达到500 km^{2 [1]}。2013年清华大学调研了长江流域761户居民家庭设备使用情况,其中拥有分体空调的家庭占85%,拥有局部供暖设备的占80%,小区集中供暖的不到1%,该研究显示,南方地区居民普遍的冬季供暖习惯是间歇式局部供暖 ^[2]。但由于长江流域不同地区的居民在室内热环境需求、生活习惯及经济水平等方面存在差异,连续供暖和间歇供暖未来在该地区将普遍存在 ^[3]。连续供暖和间歇供暖在负荷计算方法、对供暖系统的要求、供暖效果及能耗等方面各不相同,目前对于这2种供暖方式的研究主要集中在北方寒冷地区,对于连续和间歇供暖的差别、间歇供暖的负荷计算方法也有不少研究。例如:李兆坚等人利用软件模拟的方法对北京地区某居住建筑间歇供暖的热负荷、室温和能耗等进行了分析 ^[4];陈玲等人研究了不同地区、不同供暖运行方式下居住建筑间歇供暖的热负荷附加率及不同因素的影响 ^[5,6,7];张瑞雪等人提出了间歇运行逐时热负荷附加表,可用于对连续运行的设计日逐时热负荷进行逐时间歇附加修正 ^[8];武雅琼等人根据间歇热负荷变化特点给出了间歇供暖热负荷系数 ^[9]。

　　 对于长江流域而言,现有研究着重分析了空调器的能耗问题和适合长江流域的供暖模式及其对应的供暖设备,仅对单一的间歇供暖或连续供暖的热负荷进行了相应研究,但缺乏该地区居住建筑不同供暖模式下负荷特性的对比分析。故本文从该地区冬季的气候环境特点出发,结合现行标准与项目实际情况,采用计算分析的方法对比分析该地区典型城市重庆居住建筑冬季不同供暖模式下的热负荷特性。同时,以空气源热泵冷热水机组为例,结合负荷特性,对不同供暖模式下的设备选型及机组运行调节进行分析,以期为长江流域居住建筑选择高效节能的冬季供暖模式提供参考。

　　 夏热冬冷是长江流域气候的主要特点,该地区冬季气温偏低,根据典型年气象数据,最冷月平均气温介于0～10 ℃,有些地区甚至低于0 ℃ ^[10]。虽然室外气温普遍比北方高,但日照严重不足,远不及北方。如冬季日照率,北京高达67%,上海为43%,武汉为39%,长沙为31%,成都为21%,重庆仅有13% ^[11]。而且长江流域冬季湿度较高,因此冬季十分寒冷潮凉。本文以长江流域典型城市重庆为例,基于HOBO U30便携式自动气象站的监测数据,分析该地区冬季室外气候环境状况。

　　 图1显示了实测冬季(2015-12-01—2016-02-28,共90 d)室外逐时干球温度分布。可以看出:冬季室外平均温度为10.0 ℃,整个冬季室外温度呈“两头高、中间低”的阶段性分布,12月的温度分布较稳定,平均为11.4 ℃;1月为最冷月,平均温度为8.3 ℃,其中最低温度仅1.2 ℃;而进入2月后,室外温度逐渐升高,但波动较大,最高温度达到23.2 ℃,最低仅2.5 ℃。将冬季逐时室外干球温度按照2 ℃的间隔进行划分,各温度区间的分布频数如图2所示,整个冬季超过50%的时间室外干球温度介于8～12 ℃,而低于4 ℃的时间仅占3.4%。如果将空气温度近似看作体感温度,整个冬季达到热舒适标准中Ⅱ级舒适区下限温度16 ℃的时间仅有76 h,在不供暖的情况下,无法保障室内热舒适状况。

　　 为进一步反映冬季室外干球温度的波动情况,统计了逐日室外气温日较差,结果如图3所示。可以发现:2月室外温度波动最大,气温日较差最高达到15.3 ℃;整个冬季室外气温日较差低于5 ℃的时间有61 d,大多集中在12月和1月,最低气温日较差仅为0.5 ℃。造成这种情况的主要原因在于室外气温受太阳辐射影响较大,实测冬季逐日总太阳辐照量如图4所示,其变化趋势与气温日较差有显著的对应性。冬季平均日总太阳辐照量为3.53 MJ/m²,最低为0.28 MJ/m²,最高为12.14 MJ/m²,其中1月的太阳辐照量最低,2月最高。

　　 此外,对室外空气相对湿度的监测结果显示,重庆冬季室外平均相对湿度为82.2%,最高可达97.0%。总体而言,重庆冬季室外环境特点可以概括为:低温高湿且太阳辐照度较低。

　　 对于长江流域而言,大多数建筑没有供暖设施,冬季只能通过关闭门窗等措施保暖,使得该地区冬季室内热环境较北方地区恶劣。近些年来,随着人们生活水平的提高,长江流域居住建筑的室内热舒适性也受到了人们的重视,人们逐渐开始使用电暖气、电暖风、空调等设备供暖,这样虽然在一定程度上提高了室内热舒适性,但仍不能满足人们对热舒适性的要求。据调查,使用分体式空调的居民中有47%认为这种供暖方式并不舒适 ^[13]。

　　 为了更好地评价长江流域冬季室内热舒适状况,不少学者对长江流域部分地区的冬季热舒适状况进行了研究。例如:Lin等人调查了上海、重庆和长沙3个城市共26个家庭的冬季室内热环境状况,发现3个城市冬季室内平均温度比中国其他城市低3～6 ℃,其冬季室内环境远离ASHRAE热舒适区 ^[14];李亚亚研究发现,杭州和合肥地区居住建筑冬季室内热舒适温度范围分别为12.60～18.60 ℃和13.22～23.22 ℃,在不采取任何供暖措施的情况下,该温度冬季在长江流域很难达到,其热舒适性并未达到相应标准的要求 ^[15]。

　　 据调查,90%的南方居民都赞成冬季供暖 ^[13]。特别是在长江流域,包括上海、重庆、江苏、湖南、湖北、安徽等经济水平较高的16个省、市、自治区,夏季闷热,冬季湿冷,全年湿度大,冬季室内温度低、舒适度差。

　　 同时,随着近年来南方极端天气频繁出现,南方冬季供暖的呼声越来越强烈,究其原因主要为 ^[10]:一是平均气温明显偏低,最冷月平均气温介于0～10 ℃,甚至有些地区冬季室外温度低于0 ℃,部分地区日最低气温破历史极值;二是降温幅度大,低温持续时间长;三是雨雪多、湿冷特征明显,对长江流域而言,其月平均相对湿度一般在80%左右,故其体感温度更低 ^[16],同时随着全球气候变化,厄尔尼诺等现象导致极端天气频现,出现冰雪南移等现象;四是观念的转变,随着南方经济的快速发展,人们对居住环境的需求不再仅仅是抵御自然环境恶劣的气候,而是舒适健康、冬暖夏凉的宜居环境。

　　 对于建筑中的一个房间而言,其热过程主要包括4个方面:外扰通过围护结构的热传递过程、内扰的热传递过程、室外通风和空调投入热量。通过外围护结构的耗热量是建筑热负荷最主要的组成部分,由于室外环境的不断变化及室内散热的不稳定,该传热过程属于非稳态 ^[17]。传统的供暖热负荷计算按照一维稳态传热过程来处理,计算基于一定不保证率条件下的最大热负荷,该方法对于严寒、寒冷地区连续供暖模式简单且适用,因为在该地区大部分时间室内外传热温差远大于室外空气温度波振幅(以北京为例,设计计算传热温差为25.6 ℃,而室外空气温度波振幅约为5～6 ℃),温度波经墙体衰减作用后,墙体内表面温度波动很小,计算精度可以满足要求;然而对于长江流域却并不适用(以重庆地区为例,设计计算传热温差为13.9 ℃,而冬季室外气温日较差超过5 ℃的时间超过33 d),其室内外温差与室外气温日较差相差不大,因此,在决定室内热环境方面,围护结构热阻的相对重要性降低,而蓄热的相对重要性提升,故应采用非稳态传热法进行逐时计算 ^[18]。特别是对于间歇供暖,受间歇期室外温度波动和建筑围护结构及室内物体蓄放热的影响,房间的实际热过程非常复杂,热负荷很难从理论上直接计算,目前普遍采用软件模拟的方法。

　　 本文采用建筑环境动态模拟分析软件DeST-h进行模拟分析,该软件采用基于状态空间法的离散状态空间模型来计算房间的传热特性系数 ^[19],将各个房间的热平衡方程联立求解,在热负荷的模拟方面具有较高的准确性 ^[20,21]。

　　 本次所选取的模型建筑为重庆地区某高层住宅,该建筑共18层,标准层层高3.0 m。该建筑围护结构的基本信息和热工性能参数如表1所示,达到重庆市DBJ 50-071—2016《居住建筑节能65%(绿色建筑)设计标准》中有关围护结构热工性能的要求。选取标准层某一住户(三室一厅,120 m²),采用DeST-h进行冬季热负荷计算分析,软件中建模如图5所示。

　　 对于负荷计算,模拟结果的准确性主要受到相关模型参数和边界条件的制约。因此,除了在软件中将围护结构的热工性能参数设置成与实际情况相接近外,其他影响居住建筑冬季供暖热负荷模拟结果的主要参数设置见表2。

　　 根据计算结果,整理得到连续供暖条件下的冬季逐时热负荷分布,如图6所示。可以看出,最大热负荷为47.3 W/m²,最小热负荷仅为1.0 W/m²,且热负荷随室外气候环境的变化呈阶段性变化。对于该户住宅,计算得到夏季空调室外计算干球温度对应的设计冷负荷约为67.4 W/m²,故该住宅冬季连续供暖设计热负荷为4.9 kW,夏季设计冷负荷为7.0 kW。供暖热负荷随室外温度的变化如图7所示,可见供暖热负荷与室外温度呈较强的负线性相关,冬季超过90%的时间热负荷分布在图中所示的上限温度13 ℃、下限温度5 ℃的平行四边形区域内,在该区域内热负荷最大为46.5 W/m²,最小为14.4 W/m²。

　　 以最大热负荷为基准,以其他时刻的热负荷相对于最大热负荷的百分比为统计指标,将负荷率分为0～25%,25%～50%,50%～75%和75%～100% 4挡,统计部分负荷频率分布(小时数占比),结果如图8所示。可以看出,连续供暖的热负荷率主要介于50%～100%,其中50%～75%负荷率占比最高,达到了47%,而低于50%负荷率的时间占比很少,仅占18%。

　　 间歇供暖条件下的冬季逐时热负荷分布如图9所示。可以看出:最大热负荷为141.5 W/m²,是连续供暖最大热负荷的3倍;而最小热负荷为0,因为在少数白天气温高且太阳辐照度较大,由于住宅围护结构和室内物体的蓄热作用,在供暖开始时刻室内温度超过设定的18 ℃,不需要供暖。总体来看,间歇供暖的热负荷分布较为分散,其中最显著的一个特征是在供暖开始时刻热负荷较大,而后迅速降低,几小时后热负荷水平逐渐趋于稳定。稳定后的热负荷分布较为集中,在12月中旬至2月中旬热负荷基本维持在50 W/m²左右,其他时间平均约为36.0 W/m²,稍大于同时期连续供暖的热负荷。正因为以上特点,间歇供暖的部分负荷分布情况与连续供暖完全相反,如图10所示,热负荷率低于50%的时间占到整个冬季的88%,其中25%～50%负荷率占比最高,达到了69%,而超过50%负荷率的时间仅占12%。

　　 选取室外日平均温度接近,但太阳辐照度差异较大的2天分别代表晴天和阴雨天进行对比,室外气象参数如表3所示。连续供暖2种天气条件下的逐时热负荷、室外温度和太阳辐照度变化如图11所示。可以看出:晴天的室外温度波动幅度和太阳辐照度较大,逐时热负荷随着室外温度的周期性波动而变化,热负荷的峰值和谷值分别与室外温度的谷值和峰值相对应,在白天受室外温度升高和太阳辐射的双重作用,热负荷相应降低,其中在12:00—19:00期间热负荷都低于25 W/m²;而在阴雨天,由于室外温度波动小且太阳辐照度极低,全天的热负荷水平比较接近。

　　 间歇供暖2种天气条件下的逐时热负荷、室外温度和太阳辐照度变化如图12所示。可以看出:晴天的室外温度波动幅度和太阳辐照度较大,逐时热负荷在供暖启动时较高,然后逐渐下降趋于稳定;而在阴雨天,虽然室外温度波动小且太阳辐照度极低,但对供暖热负荷变化趋势没有较大影响,变化趋势近似于晴天间歇供暖热负荷变化趋势。

　　 间歇供暖在晴天和阴雨天的室内逐时温度变化情况如图13所示。可以看出:供暖期间室内温度稳定,而停止供暖后室温迅速下降;晴天条件下由于太阳辐射的作用,室内温度在12:00达到最低温度15.2 ℃,之后缓慢升高,在供暖开始时刻室内温度达到15.4 ℃,相比阴雨天同时刻高1.0 ℃。如果提升非透光围护结构的热工性能和透光围护结构的太阳得热系数,室内温度还可以进一步升高。因此在该地区白天室外温度较高及太阳辐射条件较好的天气状况下,居住建筑间歇供暖也可以保证一定的室内热舒适性。

　　 选取最冷月连续1周(1月5—11日)的连续供暖和间歇供暖逐时热负荷分布为研究对象,对比2种模式的负荷分布特性,如图14所示。从负荷变化趋势来看,在这1周内,由于间歇供暖模式在供暖开始时刻不仅需要提供稳定状态下的热量(这一部分可称之为“维持负荷”),还需要额外补充因建筑物蓄热和放热而消耗的热量(二者之和即所谓的“启动负荷”),因此初始时刻的热负荷最大,平均达到102.0 W/m²,之后急剧降低,经历约4 h后趋于稳定,前4 h的平均热负荷为71.4 W/m²,后8 h稳定阶段的平均热负荷为47.5 W/m²,具体各阶段经历的时间与软件的计算内核及供暖方式都有关系。连续供暖在对应的19:00—07:00时段,由于夜间室外温度逐渐降低,热负荷也相应逐渐增大,但整体变化幅度很小,前4 h的平均热负荷为31.6 W/m²,比间歇供暖减少了55%,后8 h的平均热负荷为36.5 W/m²,比间歇供暖减少了23%。

　　 一般来说,供暖热负荷特性对供暖系统设计和运行的影响主要体现在2个方面:一是最大热负荷决定了热源设备的选型,二是负荷分布特征对供暖系统在部分负荷条件下的高效运行提出了要求。近年来,空气源热泵作为一种节能环保的可再生能源利用设备,在北方地区煤改清洁能源及长江流域供暖中得到了大力推广和应用,因此本文以适宜重庆地区居住建筑分散式空调和供暖的空气源热泵冷热水机组为例,分别分析其负荷特性在以上2个方面的影响,为长江流域选择空气源热泵提供指导。

　　 按照空调和供暖系统的一般设计原则,冷热源设备的容量是根据负荷计算所得的最大冷(热)负荷值并考虑一定的安全余量来确定的。根据上文的负荷计算结果,在仅供暖的条件下,连续供暖和间歇供暖各自对应的空气源热泵冷热水机组的名义工况制热量应分别超过4.9 kW和14.6 kW,很显然间歇供暖所要求的机组制热量较大,考虑到设备初投资(如表4所示,机组的价格与制热量成正比),只能降低制热量要求,因此将会导致在供暖启动阶段机组不能提供足够的热量,室内温度需要更长的时间才能达到设定值,在一定程度上牺牲了室内环境的热舒适性。

　　 实际上,在重庆地区,由于夏季炎热且持续时间长,计算冷负荷大于计算热负荷,供冷才是最主要的室内热环境调控需求,而居民普遍愿意采用一套冷热源设备来同时满足夏季供冷与冬季供暖,以达到节省投资费用和安装空间的目的。因此,在该地区冷热源设备通常按照夏季供冷工况选取,校核设备的制热能力能满足设计供暖工况条件下的制热量需求即可。对于该住宅,计算夏季设计供冷工况的最大冷负荷约为67.4 W/m²,据此选择空气源热泵机组的名义工况制冷量应超过7.0 kW,在机组名义制冷量与制热量相差不大的条件下,该选型机组可满足连续供暖的热源设备容量要求,然而对于间歇供暖则无法满足“启动负荷”的需求,但可以满足“维持负荷”的需求。

　　 从上文的分析可知,由于供暖热负荷受室外温度和运行方式的影响较大,无论是哪种机组选型方式,空气源热泵在冬季绝大部分时间内都处于部分负荷状态,因此部分负荷状态下的运行性能将在很大程度上影响供暖系统的节能效果。对于单台空气源热泵机组的实际制热运行效率,可采用非标准部分负荷性能系数(NPLV(H))来评价 ^[22,23]:

　　 ${\rm N}{\rm P}LV({\rm H})=a\times A+b\times B+c\times C+d\times D(1)$

　　 式中 A,B,C,D分别为机组在100%,75%,50%和25%负荷率条件下的制热性能系数;a,b,c,d分别为100%,75%,50%和25%负荷率下的计算权重系数。

　　 权重系数的计算公式如下:

　　 $a=\frac{{\displaystyle \sum _{j=1}^{k{}_1}q}{}_{j}n{}_j}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{k{}_{\infty }}q}{}_{j}n{}_j},b=\frac{{\displaystyle \sum _{j=k{}_1+1}^{k{}_2}q}{}_{j}n{}_j}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{k{}_{\infty }}q}{}_{j}n{}_j},c=\frac{{\displaystyle \sum _{j=k{}_2+1}^{k{}_3}q}{}_{j}n{}_j}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{k{}_{\infty }}q}{}_{j}n{}_j},d=\frac{{\displaystyle \sum _{j=k{}_3+1}^{k{}_{\infty }}q}{}_{j}n{}_j}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{k{}_{\infty }}q}{}_{j}n{}_j}(2)$

　　 式中 q_j为单台机组的负荷率,即机组输出的制冷(热)量与名义工况的制冷(热)量之比;j=1～k₁,j=k₁+1～k₂,j=k₂+1～k₃,j=k₃+1～k_∞分别代表4种不同负荷率对应的频数,即机组在75%～100%,50%～75%,25%～50%和0～25%负荷率下的运行时间;n_j为在第j温频段的负荷小时数。

　　 根据夏季工况的机组选型及不同供暖模式下的负荷分布,重新计算机组在冬季不同供暖模式下的负荷率分布时间频数,结果如图15,16所示(负荷率按5%间隔划分,对于间歇供暖热负荷大于供热量部分则按100%负荷简化处理)。2种供暖模式的计算权重系数如表5所示。由于连续供暖和间歇供暖不同负荷率条件下的计算权重系数不同,机组的运行调控需求也有所差异:连续供暖要求机组在25%～75%的负荷率区间内高效运行,而间歇供暖则要求机组在50%～100%的负荷率区间内高效运行。

　　 目前,小容量空气源热泵普遍采用涡旋式压缩机,其制热量调节方式有压缩机台数控制和变容量调节 ^[24]。台数控制通常结合启停控制来实现有级调节,户式空气源热泵冷热水机组一般配备不超过2台压缩机,即只能实现50%和100%的负荷率调节,且室温控制精度较差;而变容量调节则可以实现无级调节,部分负荷效率较高,但目前主要应用于多联机,较少应用于户式空气源热泵冷热水机组。其中采用直流变频压缩机的机组制热性能系数与部分负荷率的关系曲线呈“凸”字形,在负荷率60%左右效率最高;而采用数码涡旋压缩机的机组在大多数条件下制热性能系数与部分负荷率呈正相关,但增加速度缓慢减小 ^[25,26]。

　　 对于连续供暖,由于机组负荷率主要分布在25%～50%和50%～75%之间,因此,采用成本较低的压缩机台数控制是一个很好提升部分负荷性能的运行调节方式,在卸载一台压缩机后,另一台压缩机仍能保持在较高负荷率下运行,保证了整个机组的部分负荷性能,此外还可以采用一台压缩机定容量而另一台压缩机变容量调节的策略,进一步提升机组的综合制热性能;而对于间歇供暖,由于冬季绝大部分时间内机组部分负荷率都大于50%,所选配的机组不适宜采用压缩机台数控制策略,可采用数码涡旋式压缩机,其优势在于机组可以在75%～100%负荷率区间内高效运行,也可采用变频压缩机,其优势则在于机组可以超频运行,满足供暖启动阶段的大负荷需求,缩短室内热不舒适的时间。

　　 1) 重庆地区居住建筑连续供暖的热负荷随室外温度阶段性变化而变化,呈负相关关系;间歇供暖(19:00—07:00)的热负荷分布波动较大,在供暖开始时刻热负荷远高于同时段连续供暖热负荷,随后迅速降低,但稳定后仍高于同时段连续供暖热负荷值。如在围护结构热工性能满足重庆市节能65%的设计标准条件下,居住建筑连续供暖热负荷水平较低,最大仅47.3 W/m²,而间歇供暖热负荷最大可达到147.3 W/m²。因此这2种供暖方式对热源设备的容量要求存在差异。

　　 2) 由于冷热源设备需要满足冬夏季兼供的需求,以空气源热泵冷热水机组为例,按照夏季供冷工况进行设备选型,机组名义工况下的制热量能满足连续供暖的最大热负荷需求和间歇供暖稳定阶段的热负荷需求。

　　 3) 不同供暖方式的空气源热泵机组部分负荷率分布不同:连续供暖条件下部分负荷率主要分布在25%～75%之间,机组的运行调节可采用成本相对较低的定容量压缩机台数控制方式;而间歇供暖条件下部分负荷率主要分布在50%～100%之间,采用变容量调节方式可大大提升机组的综合部分负荷制热性能,应用前景广阔。