引言燃煤造成的粉尘、烟雾等对生态环境、人体健康、社会卫生等都有不利影响，PM 2.5指数严重超标[1]。孟莹[2]根据新疆严寒地区的供暖时间、室外温度变化情况及高校宿舍采暖用能特点，提出3种在集中供暖系统楼栋计量条件下，高校宿舍采暖模式，停暖期间室内采暖温度降幅3~5 ℃，节能率达35.3%。Wang[3]等采用数值模拟的方法研究室外温度不同，间歇供暖房间能耗的影响。结果表明，室外温度和保温层位置对采暖能耗都有影响。胡文举[4]等针对北京某居住建筑的典型户型，对不同供暖模式下建筑热环境与能耗进行模拟研究。结果显示，与连续供暖相比，间歇供暖减少建筑耗热量，夜间分时分区保持供暖减少能耗17.4％。焦震[5]等以华北地区某高校教学楼为例，对该高校教学楼供暖系统运行时间进行优化模拟。结果表明，间歇运行控制机制可满足室内舒适度要求，且能耗最低。文中以呼和浩特市某高校宿舍楼为研究对象，对该宿舍楼进行供暖实测，分析室内热环境及天然气消耗量，基于实际数据利用Energy Plus能耗模拟软件进行分时段低温供暖下，室内热环境及天然气消耗量模拟。1建筑概况及模拟条件1.1建筑概况及测点布置呼和浩特市某高校宿舍楼建于2013年，建筑总采暖面积14 868.9 m2，楼高49.2 m。该地区供暖季为2019年10月15日至2020年4月15日，共184天。热源采用常压卧式燃气热水锅炉，燃料为天然气，额定热功率4.2 MW，共3台。供暖末端为散热器，标准散热量140 W/片。建筑实物图与模型图如图1所示，建筑围护结构材料参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.F001图1建筑实物图与建筑模型图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.T001表1围护结构材料参数类别名称密度/（kg/m3）导热系数/［W/（m⋅K）］比热容/（J/kg·K）外墙酚醛750.0238050 mm挤塑保温板300.031 500混凝土1 8000.931 050抹灰面1 00010 0001 000窗户双玻中空2 5006.4790屋顶SBS防水卷材9800.231 00050 mm挤塑保温板300.031 500200 mm混凝土板1 8000.931 050地面现浇混凝土1 8000.931 050大理石地砖2 8002.91816.9选取中间楼层主要房间进行数据采集，分别对初寒期、严寒期、末寒期（包含最极端天气）进行为期5天的供暖连续监测。数据采集包括锅炉房供水温度、室内外温度逐时变化数据。室内温度由温湿度记录仪测得，测点参考《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785—2012）[6]，室内面积介于16~32 m2，将两个监测点置于室内斜对角线三等分点，距离地面1.5 m的人体活动区，且远离热源处。室外温度由屋顶的小型气象站测得。1.2模拟软件及条件设置能耗模拟利用Energy Plus建立物理模型。首先进行负荷模拟计算，负荷计算包括围护结构、照明、换气次数、人员等，其中人员及通风影响较大。通风行为大多集中在午休期间，而人员密度变化较为明显的两个时间段分别在20：00至次日8：00与12：00至14：00，两个时间段屋内几乎满员，而8：00至12：00与14：00至18：00两个时间段，屋内人数较少。能耗模拟将这两个因素加载到模型中，赋予模型与实际相似的热源、散热末端及室外温度条件，热负荷模拟结束后进行天然气消耗量的模拟。分时段模拟策略如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.T002表2不同供暖时期供暖策略供暖时期供水温度低温供暖时间段初寒期正常供水温度40 ℃，低温35 ℃。7：00~12：00；14：00~20：00。严寒期正常供水温度45 ℃，低温40 ℃。5：00~8：00；13：00~16：00；21：00~24：00。末寒期正常供水温度35 ℃，低温30 ℃。4：00~8：00；12：00~16：00；20：00~24：00。2模拟数据结果分析2.1室内空气温度分析将供暖季分为初寒期、严寒期、末寒期，分别选取各时期极端气候日进行分时段低温供暖天然气消耗模拟。初寒期选择2019年11月25日，严寒期选择2019年12月31日，末寒期选择2019年3月4日。以实际供暖锅炉房供水设定温度为依据，模拟设定初寒期锅炉房正常供水温度40 ℃，低温35 ℃；严寒期正常供水温度45 ℃，低温40 ℃；末寒期正常供水温度35 ℃，低温30 ℃。初寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟如图2所示，严寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟如图3所示，末寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.F002图2初寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.F003图3严寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.F004图4末寒期锅炉供水温度和室内空气温度模拟由图2（a）可知，供水温度由原来的50~45 ℃下调至40~35 ℃。由图2（b）可知，典型日室内空气温度偏高，平均23.6 ℃，最高24.6 ℃，最低22.6 ℃。模拟策略下供暖结果显示，室内空气温度平均20.1 ℃，最高21.5 ℃，最低18.8 ℃。随宿舍人员分布状态变化，比实际室内平均温度下降3.5 ℃。同时宿舍内人数较少时，通过降低供暖温度，减少不必要的热量浪费。由图3（a）可知，供水温度由原来的58~55 ℃下调至40~35 ℃。由图3（b）可知，典型日室内空气平均温度24.7 ℃，最高26.5 ℃，最低24.2 ℃。模拟策略下供暖结果显示，室内空气温度平均21.6 ℃，最高22.4 ℃，最低20.5 ℃，比实际室内平均温度下降3.1 ℃，该段时间室内外温差处于全年最大。实测期间发现，一天内开窗时间最高可达4 h，实际供暖温度过高造成热量浪费。由图4（a）可知，供水温度由原来的38~36 ℃下调至35~30 ℃。由图4（b）可知，典型日室内空气平均温度22.6 ℃，最高23.6 ℃，最低21.7 ℃，室外温度最高2 ℃，最低-12 ℃。模拟策略下供暖结果显示，室内空气温度平均20.1 ℃，最高20.9 ℃，最低19.2 ℃，比实际室内平均温度下降2.5 ℃。对图2~图4综合分析，初寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降3.5 ℃，严寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降3.1 ℃，末寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降2.5 ℃，分时段低温供暖策略在保证室内热需求的同时能有效降低室内温度。《室内空气质量标准》中规定，严寒地区主要房间室内温度为18~22 ℃，热舒适度等级为Ⅱ；室内温度为22~24 ℃，热舒适等级为Ⅰ[7]。实际供暖舒适度超出Ⅰ级，通过分时段低温供暖策略模拟，使舒适度等级处于Ⅰ级和Ⅱ级之间。2.2天然气消耗量分析根据供暖策略对初寒期、严寒期、末寒期分别进行天然气消耗量模拟，其中寒假不做分析（2020年1月15日至2020年2月22日）。天然气模拟消耗量与实际消耗量对比如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.004.F005图5天然气消耗量实际与模拟对比由图5（a）可知，初寒期每日燃气量除个别情况外，整体趋势逐渐增加，最高每日消耗量1 149 m3，最低280 m3，共计30 113 m3，平均640.5 m3/d。模拟曲线显示，天然气消耗最高每日消耗量1 069.8 m3，最低157 m3，共计25 898.9 m3，平均551 m3/d。由图5（b）可知，严寒期天然气消耗量较为均匀。最高每日消耗量1 690 m3，最低736 m3，共计53 257 m3，平均1 157.2 m3/d。模拟曲线显示，天然气最高每日消耗量1 470.5 m3，最低813.1 m3，共计49 549.6 m3，平均1 077 m3/d。由于严寒期包括寒假期，在保证楼内管道以及电气设备不被冻坏的前提下，热需求转变为值班室供暖，减少天然气的消耗，所以未对严寒期进行分时段低温供暖模拟，故仅监测该时段实际天然气消耗量27 548 m3。由图5（c）可知，末寒期天然气消耗量受室外气温回升影响逐渐减少。最高每日消耗量825 m3，最低消耗仅61 m3，共计21 718 m3，平均409.7 m3。模拟曲线显示，天然气消耗最高每日消耗量656.9 m3，最低52.9 m3，共计19 822.8 m3，平均374 m3/d。由图5可知，天然气消耗主要集中在严寒期，约为初寒期和末寒期天然气消耗量之和，整个供暖季实际共消耗天然气132 636 m3。通过分时段低温供暖，初寒期共消耗天然气25 898.9 m3，比实际节约13.9%；严寒期正常供暖期间消耗49 549.6 m3，比实际节约6.9%；末寒期消耗19 822.8 m3，比实际节约8.7%。整个供暖季天然气模拟消耗量共计95 271.3 m3，比实际节约9.3%。3结语对呼和浩特市某高校宿舍楼供暖季供暖进行实测，在此基础上建立实测建筑物理模型并验证，设计不同的供暖策略进行室内热环境和天然气消耗量模拟，将模拟数据与实际数据进行对比分析，得出以下结论：（1）初寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降3.5 ℃，严寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降3.1 ℃，末寒期模拟供暖策略比实际室内平均温度下降2.5 ℃，分时段低温供暖策略在保证室内热需求的同时有效降低室内温度。（2）实际供暖使该宿舍楼主要房间舒适度超出Ⅰ级，通过分时段低温供暖策略模拟，使主要房间舒适度等级处于Ⅰ级和Ⅱ级之间。（3）分时段低温供暖使初寒期共消耗天然气25 898.9 m3，比实际节约13.9%。严寒期正常供暖期间消耗天然气49 549.6 m3，比实际节约6.9%。末寒期消耗天然气19 822.8 m3，比实际节约8.7%。整个供暖季天然气模拟消耗量共计95 271.3 m3，比实际节约9.3%。