建筑熱惰性對(duì)輻射供暖系統(tǒng)蓄熱策略影響研究

姜鍍輝 崔紅社* 楊佳林 高屾

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定熱惰性，使熱源供應(yīng)的熱量無(wú)法直接反映在地板表面溫度變化上，且周期性動(dòng)態(tài)變化的室外氣象條件也無(wú)法直接反應(yīng)在室內(nèi)溫度變化上。有效地利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，對(duì)于間歇性供暖的建筑，可以降低建筑能耗，在提高室內(nèi)舒適性以及緩解用電壓力等方面發(fā)揮的作用已得到廣泛的認(rèn)可[1-3]。但針對(duì)于連續(xù)性供暖的住宅建筑，利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性進(jìn)行蓄熱，制定合理的蓄熱運(yùn)行策略，并分析不同建筑熱惰性對(duì)蓄熱運(yùn)行策略的影響，研究的還較少。

因此，本文以寒冷地區(qū)100m2典型連續(xù)性供暖的農(nóng)村獨(dú)立民居為對(duì)象，在TRNSYS軟件平臺(tái)上構(gòu)建了以空氣源熱泵為熱源的地板輻射供暖系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，結(jié)合GenOpt軟件上的Hooke-Jeeves算法對(duì)供暖系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化。考慮當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)，以采暖季運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，得到在外墻傳熱系數(shù)不變的前提下，不同建筑外墻熱惰性下的最佳蓄熱溫度與蓄熱時(shí)間，并分析建筑外墻熱惰性的改變對(duì)供暖系統(tǒng)蓄熱策略的影響規(guī)律。

1 模型搭建

建筑地點(diǎn)位于北京，共有左臥室、客廳、中臥室、廚房4個(gè)供暖房間，為單層居住建筑，層高3.2m，總供暖面積100m2。根據(jù)GBT50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定和要求，對(duì)文獻(xiàn)[4]中的寒冷地區(qū)典型農(nóng)村居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，外墻增加8cm膨脹聚苯板外保溫，窗戶改為中空玻璃，改造后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

該典型建筑通風(fēng)換氣次數(shù)為1次/h，南向窗墻比為0.1，北向窗墻比為0.05。地板輻射采暖表面為水泥，最下方設(shè)置隔熱層，填充層為60mm混凝土。地埋管為DN20的PE管，管間距200mm。共有4路盤(pán)管，各路管長(zhǎng)分別為97m、89m、96m、95m。典型農(nóng)村居住建筑供暖盤(pán)管平面圖如圖1所示。

圖1 典型農(nóng)村居住建筑供暖盤(pán)管平面圖

采用空氣源熱泵為系統(tǒng)提供熱量，空氣源熱泵選擇麥克維爾風(fēng)冷熱泵MACO50ER5-AE，水泵選擇臥式多級(jí)離心泵，效率0.5，揚(yáng)程17m，流量2.5m3/h。該系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

采用麥克維爾提供的空氣源熱泵性能測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)文獻(xiàn)[5]對(duì)熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)進(jìn)行除霜修正，使用FORTRAN編寫(xiě)新的空氣源熱泵模塊type237。供暖系統(tǒng)用到的TRNSYS部件包括：空氣源熱泵type237、水泵type3b、雙位控制器type2b、時(shí)間控制器type14h、氣象數(shù)據(jù)讀取器type109、建筑模型type56、焓濕圖type33e、有效天空溫度計(jì)算type69b、TRNOPT優(yōu)化模塊等。天氣文件采用北京典型氣象年TMY2數(shù)據(jù)文件，TRNSYS仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 TRNSYS仿真系統(tǒng)

假設(shè)條件：

1）系統(tǒng)未考慮壓力變化對(duì)水泵能效的影響，

2）系統(tǒng)未考慮機(jī)組到盤(pán)管間管道散熱損失，

3）目前只針對(duì)熱泵機(jī)組供熱的研究，若有制冷需求，末端可添加風(fēng)機(jī)盤(pán)管。

2 墻體熱惰性對(duì)蓄熱運(yùn)行策略的影響

2.1 利用建筑本體蓄熱運(yùn)行策略

空氣源熱泵供水溫度早6點(diǎn)到晚6點(diǎn)為42℃，晚6點(diǎn)到早6點(diǎn)為40℃。通過(guò)檢測(cè)室內(nèi)溫度，調(diào)整各房間支路上的電磁閥開(kāi)度來(lái)保證室內(nèi)設(shè)定溫度。非蓄熱時(shí)段各房間室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，蓄熱時(shí)段室內(nèi)溫度設(shè)定為18-22℃，蓄熱時(shí)間為谷時(shí)段結(jié)束前10h以內(nèi)。

2.2 建筑熱惰性指標(biāo)

熱惰性指標(biāo)D是評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重要參數(shù)，是表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度波衰減快慢程度的無(wú)量綱指標(biāo)，D值大小直接關(guān)系到溫度波衰減度和延遲時(shí)間。熱惰性指標(biāo)表達(dá)式如式（1）。

式中：λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；c為比熱，W·h/(kg·K)；ρ為材料密度，kg/m3；δ為材料層厚度，m。

表3為不同墻體構(gòu)造參數(shù)，通過(guò)改變保溫材料厚度，使得增加不同保溫材料后的墻體導(dǎo)熱系數(shù)相同。

表3 墻體構(gòu)造參數(shù)

2.3 優(yōu)化過(guò)程與結(jié)果

在保證室內(nèi)溫度的前提下，以采暖季熱泵機(jī)組與水泵的運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，由于有蓄熱溫度與蓄熱時(shí)間兩個(gè)變量，兩個(gè)變量之間相互耦合，且建筑熱惰性對(duì)蓄熱運(yùn)行策略影響的精度要求較高，采用單因素法難以取得準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果，因此采用 Hooke-Jeeves算法進(jìn)行尋優(yōu)。Hooke-Jeeves算法適用于變量個(gè)數(shù)少，變量為連續(xù)變量的精細(xì)化尋優(yōu)。在處理實(shí)驗(yàn)次數(shù)龐大的案例時(shí)，具有收斂速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其方法包含著全局搜索與使用坐標(biāo)搜索方法的局部搜索，兩種方法交替進(jìn)行直至滿足收斂條件，得到取得目標(biāo)函數(shù)最小點(diǎn)。Hooke-Jeeves算法優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 Hooke-Jeeves算法優(yōu)化流程圖

蓄熱溫度范圍為18～22℃，蓄熱時(shí)間范圍為0～10 h。北京農(nóng)村地區(qū)峰谷電價(jià)如表4所示，構(gòu)造1～4的優(yōu)化結(jié)果分別如圖4～7所示。

表4 北京農(nóng)村地區(qū)居民用電峰谷電價(jià)

圖4 構(gòu)造1優(yōu)化結(jié)果

圖5 構(gòu)造2優(yōu)化結(jié)果

圖6 構(gòu)造3優(yōu)化結(jié)果

圖7 構(gòu)造4優(yōu)化結(jié)果

圖4～7為構(gòu)造1～4的優(yōu)化結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為計(jì)算步數(shù)，縱坐標(biāo)分別為蓄熱時(shí)間、采暖季運(yùn)行費(fèi)用、蓄熱溫度。根據(jù)構(gòu)造1～4的優(yōu)化結(jié)果，得到不同外墻構(gòu)造采暖季運(yùn)行費(fèi)用如表5所示。

表5 不同外墻構(gòu)造采暖季運(yùn)行費(fèi)用

隨著建筑熱惰性指標(biāo)的改變，最優(yōu)蓄熱溫度在19.6℃左右，最優(yōu)蓄熱時(shí)間在6h左右，最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省比例在4%左右，且隨著建筑熱惰性指標(biāo)的增加，無(wú)蓄熱策略與最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用隨之降低，最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用下降的速度更快。總體來(lái)看，隨著外墻熱惰性指標(biāo)增大，最優(yōu)蓄熱溫度略有升高，最優(yōu)蓄熱時(shí)間升高，最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省比例略有增加。

3 結(jié)論

通過(guò)連接 TRNSYS內(nèi)部各模塊，搭建空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)計(jì)算模型并通過(guò) GenOpt 軟件上的Hooke-Jeeves 算法對(duì)供暖系統(tǒng)蓄熱策略進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，運(yùn)算過(guò)程收斂性好，說(shuō)明TRNSYS與GenOpt能較好的處理供暖系統(tǒng)蓄熱運(yùn)行策略優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)制定供暖系統(tǒng)蓄熱運(yùn)行策略具有極大的幫助。

以寒冷地區(qū)100 m2典型建筑為對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r(jià)，利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行谷時(shí)段蓄熱。保持外墻傳熱系數(shù)不變的情況下，改變外墻熱惰性指標(biāo)，隨著外墻熱惰性指標(biāo)增大，蓄熱溫度略有升高，蓄熱時(shí)間升高，最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省比例略有增加。建筑外墻熱惰性指標(biāo)在 5.4～7.6 之間，最優(yōu)蓄熱溫度在19.5～20℃之間，最優(yōu)蓄熱時(shí)間在 5～7 h 之間，最優(yōu)蓄熱策略運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省比例在3.6%～4.1%之間。