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临时建筑室内供暖装置适用性研究
关键词：临时建筑；供暖装置；供暖能耗
临时建筑因其可移动性、便于拆卸组装等特点，越来越多地被使用在救灾、赈灾、公共卫生事件以及大型体育赛事等领域中［1］。与永久性建筑相比，临时建筑围护结构热阻小、热惰性小，因此常存在冬季室内温度偏低、夏季室内温度偏高等问题［2］，往往导致供暖、空调设备能耗偏高。Atmaca等人［3］对临时建筑在土耳其4个不同地区的运行能耗进行了评估，发现运行能耗占全生命周期能耗的82.4%~83.2%，运行能耗中供热能耗占比最高。Cornaro等人［4］、Lv等人［5］指出，在寒冷地区，临时建筑存在供暖能耗大的问题，因此研究降低临时建筑供暖能耗十分有必要。
由于具有可移动、易运输的特性，临时建筑多采用方便拆卸运输的电供暖方式。国内外学者开展了永久性建筑不同设定室内温度对供暖能耗影响的研究［6-9］，而对临时建筑在电供暖方式下的设定室内温度对供暖能耗影响的研究还不充分。
本文采用模拟方法，以高保温性能临时建筑（围护结构传热系数符合GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》限值要求）为研究对象，对石墨烯电热膜、对流式电供暖散热器、空气源热泵空调器3种供暖装置的供暖能耗进行对比。综合考虑室内热舒适性，提出适用于北京地区临时建筑的供暖装置。
临时建筑外形及尺寸见图1。临时建筑朝南布置，在南墙上设有1扇外窗、1扇外门。外窗宽×高为3.3 m×1.2 m，下沿距地面1.2 m。外门为玻璃外门，高×宽为2.0 m×0.9 m，门窗太阳得热系数均为0.43。临时建筑外观见图2。临时建筑采用内保温，房间无机械通风，门窗气密性等级为6级。围护结构传热系数及标准限值见表1。表1中标准限值为GB/T 51350—2019规定的寒冷地区公共建筑围护结构传热系数限值。由表1可知，临时建筑围护结构传热系数符合标准限值要求。
房间安装了3种供暖装置：石墨烯电热膜、对流式电供暖散热器、空气源热泵空调器。石墨烯电热膜安装在地板层以下，对流式电供暖散热器安装在外窗下方，空气源热泵空调器安装在北墙上。石墨烯电热膜、对流式电供暖散热器额定热功率均为1.6 kW，电热转换效率均为1。空气源热泵空调器输入电功率为1.7 kW，额定制热量为6.0 kW，额定制冷量为5.0 kW，制热季节性能系数为3.3，制冷季节能效比为2.77。
采用SketchUp软件建立临时建筑模型（见图3）。将模型导入Energy Plus软件中，根据表1设置围护结构传热系数，根据门窗气密性等级计算得到房间冷风渗透量为0.008 m3/s。
临时建筑热环境测试在2022年1月1日—4日进行，主要对室外温度、太阳辐照度、室外风速以及自然室温下的室内温度、地板表面温度、外窗内表面温度进行实测。
测试期间，室外温度、太阳辐照度、室外风速等室外气象数据自附近气象站获取。为避免太阳辐射的影响，室内温度测点布置在房间的东南角落，距地面0.7 m，距东墙、南墙均为0.5 m。地板表面温度测点在房间地面中心。外窗内表面温度测点距地面1.5 m，距东墙2.5 m。室内温度由iBEM室内环境监测仪测量，地板表面温度、外窗内表面温度均采用贴片式温度计测量，每隔1 min记录1次数据。实测期间门窗均关闭，室内无人员、照明装置、设备等发热热源。
自然室温下实测数据见图4。由图4可知，因临时建筑围护结构蓄热性能较差，房间热延迟现象不明显，在自然室温下，室内温度与地板表面温度变化趋势一致，且均随室外温度波动。受太阳辐射影响，外窗内表面峰值温度明显高于室内温度。
模型载入实测室外温度、风速、太阳辐照度等数据进行模拟。自然室温下室内温度、外窗内表面温度的模拟值与实测值分别见图5、6。由图5、6可知，模拟值与实测值随时间的变化趋势基本一致。
分别以平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）、均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）为评价指标，对模型准确性进行定量分析。平均绝对误差反映模型的可靠性。均方根误差表征模拟结果相对于实际结果的平均偏差情况，可用来评价模型的稳定性。两项指标均越小越好。平均绝对误差tMAE、均方根误差tRMSE的计算式分别为：
室内温度与外窗内表面温度模拟值的误差计算结果见表2。由表2可知，室内温度与外窗内表面温度的平均绝对误差均小于2 ℃，均方根误差均小于3 ℃，这符合文献［10］得出的对建筑室内温度、外窗内表面温度模拟值的误差要求。因此，认为模型是可靠的。
利用Energy Plus软件分别建立石墨烯电热膜、对流式电供暖散热器、空气源热泵空调器的物理模型。将3种供暖装置均设置为启停控制：室内温度低于设定室内温度1 ℃时供暖装置开启，高于设定室内温度1 ℃时供暖装置停止工作。
基于北京地区典型年的室外气象参数，供暖时间设置为11月15日至次年3月15日。分别模拟设定室内温度为18、19、20、21、22、23、24、25 ℃时3种供暖装置的供暖能耗（即耗电量）。不同设定室内温度下3种供暖装置供暖能耗见表3。由表3可知，3种供暖装置供暖能耗均随设定室内温度升高而增加。相同设定室内温度下，3种供暖装置供暖能耗由低到高为空气源热泵空调器、对流式电供暖散热器、石墨烯电热膜。地面散热损失大是石墨烯电热膜供暖期能耗最高的主要原因。
以石墨烯电热膜供暖能耗为基准，其他供暖装置节能率η的计算式为：
对流式电供暖散热器、空气源热泵空调器节能率随设定室内温度的变化见图7。对流式电供暖散热器的节能率随设定室内温度升高而减小，变化范围为15.0%~20.6%。空气源热泵空调器的节能率随设定室内温度升高而增大，变化范围为36.3%~40.0%。
操作温度是综合考虑了空气温度和辐射温度对人体的影响而得出的合成温度，在寒冷地区可以使用操作温度来描述人们的热感觉［11］。从ASHRAE55-2013《人类居住的热环境条件》中的舒适区图可知，当人体服装热阻为0.155 m2·K/W时，舒适区内操作温度范围为19.8~26.3 ℃。
设定室内温度为18 ℃时，3种供暖装置供暖期操作温度见图8。由图8可知，供暖期大部分时间（特别是严寒期）石墨烯电热膜供暖的操作温度高于其他两种供暖装置。这是由于石墨烯电热膜供暖时在热辐射的作用下，围护结构内表面的温度比采用其他两种供暖装置时高，室内热舒适性更高，但也导致了供暖能耗增加。虽然空气源热泵空调器无法保证严寒期室内热舒适性，但在初末寒期仍能提供比较理想的室内热舒适性，且整个供暖期可保证设定室内温度。因此，优先考虑供暖能耗并兼顾室内热舒适性，在北京地区临时建筑采用空气源热泵空调器供暖的综合性能最佳。
① 3种供暖装置供暖能耗均随设定室内温度升高而增加。相同设定室内温度下，3种供暖装置供暖能耗由低到高为空气源热泵空调器、对流式电供暖散热器、石墨烯电热膜。
② 供暖期大部分时间（特别是严寒期）石墨烯电热膜供暖的热舒适性高于其他两种供暖装置。
③ 优先考虑供暖能耗并兼顾热舒适性，在北京地区临时建筑采用空气源热泵空调器供暖的综合性能最佳。
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