温控阀的节能效果测试分析全文

温控阀的节能效果测试分析

清华大学建筑技术科学系徐宝萍付林狄洪发

摘要：对北京市某小区分户计量采暖系统进行了动态实测分析，通过对散热器温控阀的不同调节工况进

行测试，得出在温控阀调节作用下室内温度的变化情况。以参考房间为基准，提出能耗百分比及邻户传

热百分比的概念，从而探讨用户调节温控阀的节能效果。对该小区的测试分析结果为，对于住户出差在

外长期关阀的情况节能率可达20％左右，住户按上班作息规律对温控阀进行间歇调节时节能率约为

6％，利用太阳能等自由热防止室内过热时可达到较好的节能效果。

关键词：温控阀室温参考房间邻户传热能耗

1引言

目前国家正在大力推进供暖体制改革,实现按户计量收费,以提高居民的节能意识,使居民主动采取节能行为。间歇供暖可以使供暖时间大幅度减少,人们通常认为它可以大幅度减少供暖能耗和费用,产生十分显著的行为节能效果[1]。住宅用户宜尽量作到无人断热[2]。另有专家指出，要纠正对采暖系统采用“人走灯灭”方法过度进行“行为节能”的偏面宣传，淡化对户间传热因素的过分强调[3]。

用户间歇调节的节能效果究竟如何？当用户关闭温控阀后，对其邻户的影响又如何？也有学者对此类问题作了较为深入的理论研究及模拟分析[4,5]。如文献[4]采用全工况数值模拟方法得出 ,在满足温度舒适的前提下,采用上班停暖的间歇供暖方式,全楼平均节能率不超过10%。而实际情况下，无法达到全楼用户统一进行间歇调节，理论及模拟计算的方法仅是客观世界的抽象和近似。为了得到更为直观的认识，更好地了解温控阀在实际工程中的应用状况，对北京市某小区分户计量采暖系统进行了调节与测试，探求温控阀在采暖中的节能效果。

2测试系统简介

北京市某住宅小区，为2003年新建建筑，2004年开始入住，到目前为止尚有80余户尚未入住。空房内均正常采暖。围护结构按照《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ26-95设计。住宅采暖系统各单元分别设置下供下回式采暖总立管（见图1），分设于各管井内。每户一个水平双管同程式系统（见图2），并设一组合式热表。室内采用钢柱型散热器，每个散热器均设温控阀和手动放气阀。温控阀不具有感温元件，可进行手动调节，当转盘刻度至“*”时流量几乎为0，当转盘刻度至“5”是阀门开度最大。若不对温控阀进行调节，初始刻度值均指向最大值“5”处。整个采暖系统仍以定流量质调节方式运行，根据室外天气状况以大中小火调节锅炉出水温度。

3测试方法简介

测试对象均选择尚未入住的阴面空房间，且分布在空房率最高的一栋楼内（见图3），以便于进行

温控阀的调试，同时可排除人员设备产热等随机因素的影响。并且在测试房间中，窗门保持关闭状态，除散热器再无其他发热设备，阴面受太阳辐射的影响也较小，因此测试房间考虑的主要热扰为室内外温差引起的外围护结构传热损失、散热器供热、围护结构（蓄）放热及邻室传热。

通过在室内外布置温度自记仪测点（每隔30分钟自动记录一次），以及人工读取竖井内的热表来获得实验数据。室内温度测点布于各个房间的同一相对位置，远离散热器，高度为1.5m 左右。室外温度测点置于建筑的阴面、背风遮阳处。

排气阀

～3层

～6层

层

压差控制阀

平衡阀

平衡阀

餐厅

客厅

阳台

居室

居室

卫生间

厨房

阳台

×66

21×46

×66

16

×66

图 1 楼内采暖系统示意图

图 2 典型室内采暖系统示意图

为了分析调节温控阀的产生的一系列影响，需要与不调阀状态下的情况进行比较，如按作息规律调阀与不进行调阀相比究竟可节省多少能耗，则需要有一个基准，文中称之为参考对象。参考对象的选择有两种，第一种为空间

参考，可排除室外气象变化及热源运行调节产生的干扰，

参考房间需满足如下条件（1）户型、散热器布置、在楼中

的位置、朝向等与调阀房间均一致；（2）调试房间的温控

阀调节时，参考房间不受干扰。第二种为时间参考，则是

选择调试房间本身在不调阀时段的状态作为参考对象，时

段的选择注意选取外温、风速、太阳辐射等气象条件与调阀期间近似，一般取天气状况变化不大的相邻两天。 4

测试结果与分析

4.1 工况一（测试住户长期关阀，周围住户正常采暖）

选择空房2-401，06年1月18日下午19：05将户内所有散热器温控阀置于“*”，此时热表的流量读数变为0,并一直保持该状态。

图3 测试房间在楼中的位置分布

4.1.1室温变化

关闭散热器温控阀后，室温下降速度十分缓慢（见图4），历时60h室温由20.8℃降为17.4℃，平均降温速率仅为0.057℃/h，由此可见建筑巨大的热惯性。此后不再有明显的降温过程，室温波动规律与室外温度波动规律较为一致，且室内温度达到峰谷值的时间略有延迟，波动幅度较小，建筑围护结构相当于“缓冲器”，起着延迟及减幅的作用。

4.1.2计算分析原理

（1）能耗百分比

目前常用房间散热设备散出的热量作为该房间的耗热量，从热量表中即可读出该值。但对于温控阀关闭的房间，虽然散热器散热量为零，邻室传热的存在及建筑热惯性相当于提供了“间接的热源”，均可追溯到热网供热。因此，为综合考虑节能效果，文中所计算房间耗热量，最终均追溯到热源直接或间接提供的热量（包括散热器散热量、邻室传热量及围护结构放热量），而这些热量又消耗于室内外温差引起的外围护结构损失。根据房间热平衡，可得

(1)()() (2)()() h s l w h o o n w o o n w l l l l n l l l n Q Q Q Q Q K F t t d K F t t Q K F t t d K F t t ττττ=++=?-=?-=?-=?-∑∑?∑∑?o

(3) J J J

J,,,C

n w l h s l w o

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t t t Q Q Q Q K F K F ∑∑其中——房间总耗热量，——散热器散热量，——邻室传热量，——围护结构蓄（放）热量，蓄热时为“－”，放热时为“＋”——房间与外环境的综合传热系数，w/K ——房间与邻室的综合传热系数,w/K

——分别为调阀房间室内温度、室外温度及邻室温度，min τ——时间步长，本测试中取30

为判断住户调节温控阀的节能效果，定义能耗百分比Q h ：同一时间段内，住户调阀情况下的耗热量h Q '与其参考房间在不调阀情况下的耗热量Q h 之比。计算公式为：

()() (4)()()

o o n w n w o

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n

n t t nw

nw t t ''其中，为参考房间的室内温度，为调阀房间的室内温度，为参考房间的室内外平均温差，为调阀房间的室内外平均温差。

则住户调节温控阀相比于不调节温控阀的节能率s 可表示为：1 (5)s Q =-

（2）邻室传热百分比

为考虑邻室传热的影响程度，本文定义邻室传热百分比l Q ：在某一时间段内，由邻室传热提供的热量占房间总耗热量的百分比。

() (6)

()=

l l l n l l l o

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K F t t K F t Q K F t

t K F t t t Q Q ττ

?-?=?-?

=

∑∑∑∑其中，为调阀房间与邻室平均温差，为调阀房间室内外平均温差

关阀初期，围护结构逐渐释放热量，其内部温度将处于动态变化过程，经历较长时间后，围护结构放热过程基本结束，内层温度分布亦趋于稳定，此时可认为房间的“热源”单一来自于邻室传热，从而使得房间温度维持在一定水平。此时公式（1）～（3）可简化为：

()() (7)h l o o n w l l l n Q Q K F t t K F t t ττ=??-=?-∑∑

由工况一测试结果，取关阀后第14天围护结构基本处于稳定状态，此时，测试房间室内外平均温差为22℃，与邻室平均温差为4.80℃。代入式（7）中可得：

()22 4.58 (8)()

4.8

l l n w o

o

l n K F t t K F

t t -=

=

=-∑∑

将式（8）代入（6）中，对于本测试对象的邻户传热百分比计算公式可表示为：

4.58

(9)l l o

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l n l n

l nw

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K F t K F t t Q t ??

=

=∑∑ 4.1.3 计算分析结果

利用公式（4）（5）（9）计算求得测试房间关阀后的逐天节能率及邻室传热百分比如图5所示。从计算结果可知，对于住户出差在外长期关阀的情况，关阀4天左右可达节能率20％，此后基本保持该值波动不大，若关阀时间在4天之内，则节能率随着关阀时间增长而逐渐增加。当邻室传热百分比为100％，总邻室传热量可达参考房间耗热量的80％左右，即当某户长期关阀，其周围各户总耗热量将在原有基础上增加80％。同时，从图6邻室温度曲线及参考房间温度曲线比较，住户关阀对邻室的温度

4.2 工况二（测试住户按作息调阀，其周围住户正常采暖）

对房间2-502在一天内按近似作息规律调节，即2006.2.11 上午 9：33，将2-502温控阀调至“*”，2006.2.11 下午 17：44，再将温控阀调回“5”。同时在测试期间的每天同一时间读各户热表，与相应温控阀不作调节时相比，得出调阀用户及其邻户散热器散热量的变化情况。

图6 工况二相关房间温度变化曲线

从图6可看到，用户关阀或开阀对室内温度影响很小，一天内最高与最低室温仅1℃之差。调阀房间在2月11日9点～2月12日9点的平均室内外温差为20.8℃，对应时间段内参考房间的平均室内外温差为21.1℃。据公式（4）可计算得调阀房间的能耗百分比为98.6％。

作息调节用户的散热器日平均散热量由1.96kw 降至1.36kw ，减少31％。而房间耗热量并没明显减少，说明散热器减少的供热量已由围护结构放热及邻户传热弥补。从综合能耗考虑，用户短期按作息调节的节能效果微乎其微，相当于通过围护结构的“蓄热转移”对热量的重分配过程。停暖期间围护结构释放蓄热量,相邻两户的隔墙一侧向停暖用户室内释放蓄热量，另一侧由采暖用户提供加热量，以弥补消耗的热量，从而使得邻室散热器散热量增加的情况下，室温并没有明显增加。 4.2.1

连续间歇调节的节能率预测计算

对该工况的调试周期仅为一天，围护结构的放热过程尚未结束，若将调试周期增加，比如连续10天对温控阀作间歇调节，使围护结构内温度分布重新处于另一个稳定状态，此时围护结构放热量可视为零，由公式（1）（4）（9），可得该状态下的热平衡方程为：

4.58 10h s l

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h s l h nw ln nw s nw nw nw

s Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q t t t

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+?''＝其中，为散热器散热百分比，即调阀房间散热器散热量与参考房间散热器散热量的比值。

（）

利用公式（10）对如下算例进行计算，可预测连续间歇调节用户室内温度将会有较明显的降低，节

能效果也相对显著。设室外平均温度为0℃，散热器散热百分比为70％， 调试房间室内平均温度为t n ，邻室及参考房间平均室温为21℃，由公式（10）

210.7 4.58212121

n n n

t t t -=+?? 求解得 n t ＝19.8，能耗百分比为94.2％，因此节能率可达5.8％。

4.3 温控阀的其他节能作用

温控阀的节能作用除了人为调节，还在于随气候的变化动态地调节处理，控制室温恒定，防止室内过热甚至开窗放热浪费能源。另外，阳光入射、人体活动、炊事、电器等自由热由于不确定性而没有在设计运行中予以充分考虑，仅作为安全系数考虑。实现室温控制后，这部分能量可以取代部分散热量，同时，通过温度设定功能可满足不同人群的冷热喜好，这样即提高了室内环境舒适度，又节省了能量。

为说明此问题，以利用太阳辐射得热为例，在与阴面房间对称的阳面房间附加一个温度测点，所得温度曲线如图7所示。据了解，当天气较为晴朗时锅炉房一般会作相应的调整，通常为白天10：00—17：00降低供水温度。但从上图可见，阳面房间温度波动幅度仍然很大，最大温差可达3.5℃，最高温度峰值出现在中午时分。倘若温控阀具有自动调温功能，将阳面房间温度控制在19℃，以式（4）（5）进行计算得到，在同样的气象条件下可达节能率10％。 5

结论

通过北京某小区的测试分析，就室内温控调节阀作用对采暖能耗进行了研究，得到如下主要结论： （1）对于住户出差在外长期关阀的情况，围护结构放热过程大约可维持4天左右，关阀初期节能率较小，第一天仅为4％，关阀四天以后接近20％。最大邻室传热总量可达参考房间耗热量的80％左右，住户关阀对邻室的温度影响较小，邻室最大温降为1℃。

（2）住户按上班作息规律对温控阀进行间歇调节时，散热器散热量仅为不作调节时的70％，但在仅调节一天的情况下，能耗百分比可达98.6％，节能效果微乎其微。若住户每天均对温控阀进行间歇调节，通过计算节能率为6％左右。

（3）通过分析对阳面房间附加测点的逐时室温，得出在相应气象条件下，利用温控阀恒温控制功能可达到较好的节能效果，节能率达10％。