綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)方法仿真

周 詣,白 莉

(1. 長春工程學院 建筑學院,吉林 長春130021;2. 吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,吉林 長春130118)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進,住宅建筑面積大幅度增加,加之人們對居住環(huán)境標準的持續(xù)提升,導致住宅建筑能耗在社會總能耗中占據(jù)的比重高達35%,其中采暖能耗所占比例最大[1]。造成該問題的主要原因表現(xiàn)在采暖系統(tǒng)缺乏與用戶需求相匹配的調(diào)節(jié)策略,從而引發(fā)采暖熱量供需失衡[2,3],頻繁發(fā)生開窗散熱等浪費熱量的行為。在此背景下,能夠?qū)崿F(xiàn)能源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的綠色住宅建筑成為建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[4],它是將能源高效利用和人與自然持續(xù)共生作為原則,使建筑所需能源系統(tǒng)保持良性循環(huán)且無污染的一種住宅模式,因此研究合理的采暖熱量調(diào)節(jié)方法,在保證人們居住舒適度的前提下,解決采暖熱量供需矛盾[5],充分發(fā)揮綠色住宅建筑的功效,成為當前建筑業(yè)面臨的重要課題。

該課題引起很多相關(guān)專家和學者的重視,例如王旭東等人和倪平安等人,分別利用模型預(yù)測控制與數(shù)據(jù)分析技術(shù)完成采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)[6,7]。以上方法的調(diào)節(jié)節(jié)能分別為12%～31%、15%～26%,調(diào)節(jié)效果較為顯著,但在建模過程中未考慮天氣、室外溫度等對用戶舒適度影響較大的因素。因此為解決該問題,本文提出綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)方法仿真,通過分析綠色住宅建筑采暖供水溫度與室外溫度之間的關(guān)系,依據(jù)當日天氣預(yù)報獲取的次日室外最低溫度,利用集中質(zhì)調(diào)節(jié)改變采暖供水溫度,實現(xiàn)綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)。

2 采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)方法仿真

2.1 綠色住宅建筑采暖熱量供需模型構(gòu)建

2.1.1 綠色住宅建筑地板輻射的傳熱數(shù)學模型

綠色住宅建筑室內(nèi)需要的溫度可以通過地板的散熱量來維持,其由對流及輻射換熱2方面組成。為獲得綠色住宅建筑室內(nèi)需要的熱負荷和采暖供水溫度的關(guān)系,創(chuàng)建地板輻射的傳熱數(shù)學模型。利用式(1)描述綠色住宅建筑地板輻射的熱傳遞過程

q1=hsts-ta

q2=Kutb-ts

(1)

q3=Kltw-tb

式內(nèi),綠色住宅建筑單位面積傳熱量用q1～q3描述,三者的值相等;地板上、下層以及表面綜合傳熱系數(shù)分別用Ku、Kl、hs描述;地板表面溫度用ts描述;室內(nèi)空氣溫度用ta描述;地板上下層接觸面溫度用tb描述;水溫度用tw描述,表示為tw=(tg+ta)/2,其中采暖供水溫度用tg描述。

綠色住宅建筑地板上層厚度用δu=δ1+δ2+…+δm-Dp描述,其中Dp代表采暖管徑,其值與地板下層厚度相等,表示為δl=Dp,則可以利用式(2)描述地板上、下層傳熱系數(shù)的計算過程

(2)

式內(nèi),地板m層和下層的導熱系數(shù)分別用λm、λl描述,綠色住宅建筑采暖管的導熱系數(shù)用λp描述,當管內(nèi)呈紊流狀態(tài)時[8],可使用下式求解λl

λl=f(λm,λp)

(3)

將以上兩個公式代進式(1),能獲得下式描述的綠色住宅建筑地板表面溫度的計算過程

(4)

式內(nèi),hs的計算過程用式(5)描述

(5)

式內(nèi),地板表面對流及輻射傳熱系數(shù)分別用hc、hr描述,室內(nèi)房間其余表面溫度的平均值用tos描述。下式為求解hr的計算過程

(6)

式內(nèi),輻射常數(shù)用σ描述;輻射地板的表面積用F1描述;發(fā)射率用εi描述;室內(nèi)房間墻壁或天花板的表面積與溫度分別用Fi、Ti描述。下式為求解hc的計算過程

(7)

式內(nèi),a、b分別代表綠色住宅建筑室內(nèi)房間的長與寬,D的值可表示為D=4ab/2a+2b。通過式(5)可以獲得ts與綠色住宅建筑采暖供水溫度tg的關(guān)系,因此求得室外溫度to,便能得到tg。

2.1.2 綠色住宅建筑熱負荷數(shù)學模型

綠色住宅建筑室內(nèi)熱量主要由人員活動、照明電器與設(shè)備運行過程中的隨機熱負荷組成[9,10],可以利用式(8)描述隨機熱負荷的計算形式

(8)

2.1.3 綠色住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱數(shù)學模型

綠色住宅建筑與外界環(huán)境的熱交換形式以熱對流為主,它由室內(nèi)空氣分別與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面之間的強制對流和自然對流兩部分組成,可使用下式描述兩者所傳遞的熱量

Qin=kinA(Tin-TA)

Qex=kexA(TB-to)

(9)

式內(nèi),在單位時間內(nèi),強制對流傳遞的熱量用Qin描述,自然對流傳遞的熱量用Qex描述;綠色住宅建筑室內(nèi)外溫度分別用Tin、to描述;圍護結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)、外表面溫度分別用TA、TB描述;圍護結(jié)構(gòu)表面積為A;圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面對流傳熱系數(shù)分別用kin、kex描述。

出于對綠色住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)的考慮,利用傅里葉定律獲得式(10)所示圍護結(jié)構(gòu)每層材料的熱傳導形式

(10)

式內(nèi),綠色住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)厚度用D描述;圍護結(jié)構(gòu)材料的導熱系數(shù)用kk描述。

綠色住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)材料與室內(nèi)空氣均擁有熱存儲性能,是因為其升溫或降溫時會產(chǎn)生熱量的吸收和釋放行為,可利用下式描述熱存儲過程:

(11)

式內(nèi),在單位時間內(nèi),綠色住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)材料與室內(nèi)空氣的蓄熱量用Qm描述;圍護結(jié)構(gòu)材料的比熱容用c描述;材料的質(zhì)量用mm描述。

2.2 綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)實現(xiàn)

依據(jù)2.1小節(jié)構(gòu)建的綠色住宅建筑采暖熱量供需模型,通過集中質(zhì)調(diào)節(jié)改變采暖供水溫度,確保綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡。該調(diào)節(jié)方法能夠突破傳統(tǒng)采暖僅使用固定供水溫度進行供給的限制,從而有效避免在綠色住宅建筑室外溫度超出采暖溫度時導致的采暖熱量供需矛盾。

引入建筑熱環(huán)境模擬工具包(DeST),根據(jù)創(chuàng)建的綠色住宅建筑熱負荷數(shù)學模型,對采暖季綠色住宅建筑需要的熱負荷進行模擬,獲得熱負荷與室外溫度的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上利用構(gòu)建的綠色住宅建筑地板輻射的傳熱數(shù)學模型,得到熱負荷與采暖供水溫度的關(guān)聯(lián),進而求出綠色住宅建筑采暖供水溫度與室外溫度之間的聯(lián)系,即可依據(jù)室外溫度實現(xiàn)綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié),具體流程用圖1描述。

圖1 綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)流程

1)使用DeST模擬某綠色住宅建筑某棟樓的采暖季熱負荷,經(jīng)過分析可知,單位面積熱負荷與室外溫度之間具有反比關(guān)系。通過兩者的非線性擬合,在室外溫度相同的條件下,室外空氣濕度、太陽輻照度等是導致某些熱負荷點不在擬合線上的主要因素,但影響熱負荷最大的因素仍為室外溫度。利用以上擬合關(guān)系可以得到下式描述的單位面積熱負荷q與室外溫度to之間的表達式

(12)

式內(nèi),綠色住宅建筑采暖管內(nèi)直徑用d描述。

2)將綠色住宅建筑地板輻射的傳熱數(shù)學模型與建筑單位面積熱負荷相結(jié)合,能夠得到q與采暖供水溫度tg的相關(guān)性,經(jīng)過分析可知兩者之間具有正比關(guān)系,通過線性擬合可獲得式(13)所示兩者的關(guān)系式

q=a1tg+b1

(13)

3)調(diào)節(jié)日間綠色住宅建筑采暖供水溫度的基本依據(jù),可選擇逐日最不利室外溫度to(min),通過上述兩個過程能獲得圖2描述的to(min)與tg的關(guān)系曲線。

圖2 綠色住宅建筑室外溫度與供水溫度的關(guān)系

從關(guān)系曲線可得,在綠色住宅建筑室外溫度小于等于-6℃或大于等于15℃的條件下,采暖供水溫度較為穩(wěn)定,因此通過下述調(diào)節(jié)規(guī)則實現(xiàn)綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡。

(a)A區(qū)間(to≤-4):該區(qū)間為寒冬期,綠色住宅建筑采暖系統(tǒng)的供水溫度需要一直保持在49℃。

(b)B區(qū)間(-4

(c)C區(qū)間(to≥15):該區(qū)間為冬末期,綠色住宅建筑采暖系統(tǒng)的供水溫度可一直保持在29℃。

綜合上述調(diào)節(jié)規(guī)則,綠色住宅建筑采暖系統(tǒng)可利用當日天氣預(yù)報獲取第二日的室外最低溫度,以實現(xiàn)第二日供水溫度的調(diào)節(jié),進而達到確保綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡的目的。

3 結(jié)果分析

從某地區(qū)某綠色住宅建筑中隨機選擇3棟樓作為仿真對象,分別用A、B、C標記,使用DeST對其整個采暖季的熱負荷進行模擬,并利用本文方法實現(xiàn)每棟樓的采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)。這3棟樓的戶型完全相同,每戶建筑面積為96平方米,層高3.6米,各20層、40戶。使用圖3描述仿真的建筑戶型結(jié)構(gòu)。

圖3 綠色住宅建筑戶型結(jié)構(gòu)圖

統(tǒng)計分析某年11.15～次年3.15,A樓單位面積熱負荷和室外溫度的變化情況,結(jié)果用圖4描述。

圖4 A樓單位面積熱負荷和室外溫度的變化情況

分析圖4可以看出,在整個采暖季,A樓的單位面積熱負荷與室外溫度具有反比關(guān)系,與文內(nèi)所得分析結(jié)果相同,且兩者的變化幅度非常大,若不進行有效的調(diào)節(jié),極容易導致熱量的浪費,因此綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)十分必要。

統(tǒng)計2020年11月18日～11月30日,使用本文方法對B棟樓的采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)結(jié)果,具體用表1描述。

表1 B棟樓的采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)結(jié)果

分析表1可以看出,本文方法能很好地依據(jù)B棟樓室外溫度改變采暖供水溫度,從而實現(xiàn)其采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié),且使用該方法調(diào)節(jié)后,在11月18日～11月30日13天中,出現(xiàn)開窗散熱行為的戶數(shù)僅為5,表明本文方法具有較理想的綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)效果,能有效改善因采暖熱量供需矛盾導致的熱量浪費問題。

為進一步驗證本文方法的綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)能力,引入末端匹配度指標衡量用戶需求與采暖實際供熱量的關(guān)系,指標值越接近于1,則表明調(diào)節(jié)效果越優(yōu)異。在不同室外溫度區(qū)間下,采用隨機形式分別從3棟樓中選擇4戶進行驗證,結(jié)果用圖5描述。

圖5 不同室外溫度區(qū)間的各戶末端匹配度結(jié)果

分析圖5可以發(fā)現(xiàn),在不同室外溫度區(qū)間下,3棟樓各戶的末端匹配度均保持在0.97以上,最高末端匹配度約為0.998,十分接近于1,因此表明本文方法的綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)能力較為優(yōu)異,能夠?qū)崿F(xiàn)不同室外溫度區(qū)間下的用戶需求與采暖實際供熱量的有效匹配。

測試本文方法使用后,某休息日上午8時～下午16時的A、B、C三棟樓的單位面積能耗,結(jié)果用圖6描述。

圖6 不同時刻下的建筑單位面積能耗

從圖6可以發(fā)現(xiàn),使用本文方法進行采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)后,該休息日不同時刻下,3棟樓的單位面積能耗始終在40～90kW·h/m2范圍內(nèi)變化,整體建筑單位面積能耗水平較低,因此表明,本文方法對控制綠色住宅建筑能耗具有一定積極作用。

4 結(jié)論

建筑采暖能耗是建筑總能耗的主要組成部分,為解決建筑采暖熱量供需之間的矛盾,滿足人們的環(huán)境舒適度要求,并達到綠色住宅建筑的節(jié)能環(huán)保目標,本文研究綠色住宅建筑采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)方法仿真。通過仿真驗證,該方法能夠打破傳統(tǒng)采暖僅使用固定供水溫度進行供給的限制,可以在不同室外溫度區(qū)間下實現(xiàn)用戶需求與采暖實際供熱量的有效匹配,并且對于建筑整體能耗的控制具有重要作用。