公共建筑分時(shí)分區(qū)控制的能耗模擬分析

邵宗義 馬長(zhǎng)明 韋梓春

北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

公共建筑分時(shí)分區(qū)控制的能耗模擬分析

邵宗義 馬長(zhǎng)明 韋梓春

北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文對(duì)分時(shí)分區(qū)供熱節(jié)能進(jìn)行了理論分析，通過(guò)能耗模擬軟件DeST-C對(duì)北京某辦公建筑在連續(xù)供熱和分時(shí)分區(qū)控制供熱兩種工況下的能耗進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析了在兩種供暖模式下模擬建筑的耗熱量和建筑室內(nèi)房間的溫度變化情況。實(shí)例模擬分析顯示，公共建筑采取分時(shí)分區(qū)控制技術(shù)供熱，能實(shí)現(xiàn)按需供熱，節(jié)能效果顯著。

連續(xù)供暖 分時(shí)分區(qū)控制 節(jié)能 能耗比較

0 引言

目前建筑能耗占我國(guó)全社會(huì)終端能耗的比例約為27.5%。北方城鎮(zhèn)集中供熱采暖能耗占全國(guó)城鎮(zhèn)建筑總能耗40%，為建筑能源消耗的最大組成部分，因此集中供熱節(jié)能應(yīng)該是我國(guó)建筑節(jié)能工作中潛力最大、最主要的途徑，應(yīng)該作為當(dāng)前開(kāi)展建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)。

集中供熱系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象不僅包含居住建筑還包含學(xué)校、辦公樓、會(huì)場(chǎng)、活動(dòng)中心等公共建筑。居住建筑一天均有人員，要求室內(nèi)溫度全天維持在一個(gè)恒定的狀態(tài)；而辦公建筑只需要在工作時(shí)間滿足人員舒適要求，在非辦公時(shí)間保持防凍溫度即可。特別是對(duì)于有長(zhǎng)時(shí)間寒假的學(xué)校類建筑，寒假期間無(wú)人停留，如果持續(xù)供熱會(huì)導(dǎo)致大量能源的浪費(fèi)。但是傳統(tǒng)混合的供熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期沒(méi)有對(duì)公共建筑做特別設(shè)計(jì)，是和居住建筑一樣進(jìn)行連續(xù)24小時(shí)供熱。這種集中供熱系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)：由于公共建筑在非辦公時(shí)間無(wú)供熱的需求，只要保持一定溫度防止水管凍裂就可以；但是原有系統(tǒng)連續(xù)供熱，這就使得公共建筑在非辦公時(shí)間內(nèi)獲得了大量的熱量而造成不必要的能源浪費(fèi)；另外，由于循環(huán)水泵要提供非辦公時(shí)間辦公樓的循環(huán)動(dòng)力也就造成循環(huán)泵在非辦公時(shí)間的電能浪費(fèi)[1]。因此對(duì)于辦公建筑、商業(yè)建筑、學(xué)校等公共建筑采取分時(shí)分區(qū)供熱是很有效的節(jié)能方式。本文通過(guò)理論分析和實(shí)際工程案例模擬來(lái)討論對(duì)公共建筑采取分時(shí)分區(qū)供熱的節(jié)能性。

1 分時(shí)分區(qū)供熱控制原理

分時(shí)分區(qū)控制供熱既能滿足人們對(duì)舒適性的要求又能最大限度地節(jié)能。根據(jù)公共建筑的使用特點(diǎn)，同時(shí)充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱延遲性,對(duì)不同建筑物采用分時(shí)分區(qū)供熱調(diào)節(jié)手段,實(shí)現(xiàn)按需供熱,從而減少不必要的能源浪費(fèi)。根據(jù)公共建筑使用時(shí)間的差異，在無(wú)人停留的時(shí)間內(nèi)通過(guò)在樓棟熱力入口供回水管上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水流量以達(dá)到對(duì)建筑不同時(shí)段溫度的控制。同時(shí)設(shè)置檢測(cè)建筑物管內(nèi)水溫的裝置，以避免室內(nèi)過(guò)低及管道凍裂。圖1為分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)的原理圖。

圖1 分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)原理圖

采用分時(shí)分區(qū)供熱的方案和原則[2]:在建筑使用時(shí)間內(nèi)保證正常的室內(nèi)采暖溫度，在非使用時(shí)間通過(guò)分時(shí)分區(qū)控制降低室內(nèi)溫度；建筑面積過(guò)小的建筑、醫(yī)院建筑及全天24小時(shí)有人的建筑不宜采取分時(shí)分區(qū)供熱。

2 分時(shí)分區(qū)供熱節(jié)能的理論分析

本文采用面積熱指標(biāo)法[3～4]對(duì)建筑進(jìn)行整個(gè)采暖季熱負(fù)荷及采用分時(shí)分區(qū)供熱時(shí)的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，并得出采用分時(shí)分區(qū)供熱的節(jié)能率。

采用24小時(shí)不間斷供熱時(shí)供熱量為：

式中：Q為供熱期間供熱量，GJ；A為供熱面積，m2；N為供熱天數(shù)。

采用分時(shí)分區(qū)供熱建筑正常使用時(shí)間供熱量為：

式中：N1為整個(gè)供暖期間節(jié)假日、周末的天數(shù)；m為建筑每天正常使用時(shí)間。

建筑采用值班溫度時(shí)的供熱量為：

采用分時(shí)分區(qū)供暖的節(jié)能率為：

以北京市某一辦公建筑為例，建筑供熱時(shí)間為周一至周五的4:00～20:00，m為16h，N為120天，N1為26天，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃，值班采暖溫度為8℃，室外平均溫度為-0.7℃，分別代入以上代入公式計(jì)算得：節(jié)能率為約為34.3%。

3 工程實(shí)例模擬

3.1 建筑模型

所選建筑為北京市某科研所辦公樓，辦公樓和其他兩棟住宅樓、一棟實(shí)驗(yàn)樓由鍋爐房集中供熱。建筑共六層，層高為3.1m，建筑總面積為11426m2，建筑人均面積為8m2/人，建筑窗墻比約為20%，外窗玻璃類型為普通6mm單層玻璃（傳熱系數(shù)5.7W/(m·2K)、遮陽(yáng)系數(shù)SC值0.85），外墻傳熱系數(shù)為2.036W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.535W/(m2·K)；冬季辦公室內(nèi)新風(fēng)靠門窗滲透來(lái)，滲透換氣次數(shù)為0.5次/小時(shí)，辦公設(shè)備、照明設(shè)備負(fù)荷密度均為11W/m2；照明開(kāi)關(guān)時(shí)間、房間人員逐時(shí)在室率、設(shè)備逐時(shí)使用率按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005[5]設(shè)定。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃，按國(guó)家規(guī)定北京供暖期為每年11月15日至次年3月15日。

利用能耗模擬軟件，通過(guò)改變建筑供暖時(shí)間來(lái)對(duì)比建筑采暖能耗。具體方案是：模擬辦公樓24h連續(xù)供熱的工況，分析能耗及典型房間溫度變化；模擬工況4:00～20:00供熱，分析能耗及典型房間溫度變化，比較兩種工況下的能耗。

3.2 能耗模擬結(jié)果及分析

在此利用能耗模擬軟件DeST-C進(jìn)行模擬，計(jì)算該辦公建筑在連續(xù)供暖和分時(shí)分區(qū)供暖兩種模式下的冬季供暖負(fù)荷和室內(nèi)溫度的變化情況。DeST給出了典型氣象年中的相關(guān)氣象參數(shù)，根據(jù)冬季供暖室外計(jì)算溫度確定供暖初期、中期、末期數(shù)據(jù)分析的典型日，然后分析采暖期建筑熱負(fù)荷和室內(nèi)熱環(huán)境波動(dòng)情況。

對(duì)辦公建筑實(shí)行分時(shí)分區(qū)控制，屬于間歇供暖[6]，停止供暖時(shí)，室內(nèi)溫度會(huì)有一定的下降。而且隨著室外溫度的變化，分時(shí)分區(qū)供暖對(duì)室內(nèi)的影響也不相同。

下面以對(duì)辦公樓供熱采取分時(shí)分區(qū)控制時(shí)的建筑逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行分析。

分析辦公樓的逐時(shí)耗熱量，選取三個(gè)典型日的逐時(shí)耗熱量進(jìn)行分析，如圖2所示。由圖2可以看出，在分時(shí)分區(qū)控制的工況下，早上在樓棟入口電動(dòng)閥門開(kāi)啟時(shí)，由于經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的停暖之后室溫和供水溫度的溫差比連續(xù)供暖時(shí)偏大，建筑的逐時(shí)耗熱量有一個(gè)突然的增大，閥門開(kāi)啟后的兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，耗熱量比正常情況下高出很多，但2h后，逐時(shí)耗熱量和正常供暖下的逐時(shí)耗熱量相差不大。說(shuō)明此時(shí)室內(nèi)溫度已經(jīng)與連續(xù)供暖時(shí)室內(nèi)溫度相差不大，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)的供暖室內(nèi)溫度能達(dá)到舒適要求。

圖2 辦公樓逐時(shí)耗熱量

分析典型房間的溫度，選取六層的一個(gè)典型辦公室作為分析對(duì)象。房間在采暖初期、中期、末期的溫度變化如圖3所示。由圖可以看出，當(dāng)對(duì)辦公樓進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制時(shí)，室內(nèi)溫度會(huì)在夜間停止供暖時(shí)逐漸下降，早上開(kāi)啟供暖時(shí)，逐步升高。開(kāi)始停暖時(shí)溫降較快，2小時(shí)后溫降速度變慢。采暖初期和末期，由于室外溫度較高，分時(shí)分區(qū)控制時(shí)室內(nèi)溫降比較小，平均溫降為4.25℃，而在寒冷期室內(nèi)溫降相對(duì)比較大，室內(nèi)溫度低至10.63℃。但仍高于值班供暖溫度，水管不會(huì)有凍裂的危險(xiǎn)，但預(yù)熱時(shí)間相應(yīng)變長(zhǎng)。

圖3 不同采暖時(shí)期典型房間室內(nèi)溫度變化情況

分析連續(xù)24h不間斷供暖和分時(shí)分區(qū)供暖兩種不同工況的逐日熱負(fù)荷，二者的比較見(jiàn)圖4。由圖可以看出，連續(xù)供暖的逐日耗熱量幾乎全部大于按分時(shí)分區(qū)控制技術(shù)供熱的逐日能耗，也即整個(gè)供暖期內(nèi)采用分時(shí)分區(qū)控制技術(shù)供熱在滿足室內(nèi)溫度要求的情況下更節(jié)能。模擬的建筑能耗報(bào)告顯示，連續(xù)供暖時(shí)辦公樓采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為31.4W/m2，而采用分時(shí)分區(qū)供熱時(shí)采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為22.5W/m2，節(jié)能率為29.9%。

圖4 供暖期逐日耗熱量

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)能耗模擬軟件DeST-C對(duì)連續(xù)供暖和分時(shí)分區(qū)控制供熱兩種工況的模擬計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1）公用建筑按分時(shí)分區(qū)控制供熱相比連續(xù)供熱是節(jié)能的，本文中模擬的辦公樓節(jié)能率達(dá)到了29.9%，可見(jiàn)對(duì)辦公樓、寫(xiě)字樓、學(xué)校建筑等公共建筑采取分時(shí)分區(qū)供暖是一個(gè)非常節(jié)能的調(diào)節(jié)方法。

2）對(duì)建筑采取分時(shí)分區(qū)控制時(shí)，建筑的逐日能耗比連續(xù)供暖逐日能耗小。分時(shí)控制時(shí)，開(kāi)啟閥門后的前兩個(gè)小時(shí)，由于室內(nèi)溫度低，辦公樓耗熱量比連續(xù)供暖高很多，但兩個(gè)小時(shí)后耗熱量恢復(fù)正常。

3）無(wú)論是采暖初期、中期還是末期，分時(shí)控制對(duì)室內(nèi)溫度的影響如果控制得當(dāng)，不會(huì)對(duì)建筑正常使用造成不利影響。采暖初期和采暖末期對(duì)公共建筑進(jìn)行分時(shí)控制，對(duì)室內(nèi)溫度影響較小，能夠以最小的溫度代價(jià)來(lái)獲取最大的節(jié)能效益。為了更好地對(duì)公共建筑進(jìn)行分時(shí)控制，分時(shí)分區(qū)裝置應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)室外溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)熱時(shí)間，當(dāng)天氣變得冷些，預(yù)熱時(shí)間就要長(zhǎng)些，當(dāng)天氣變暖的時(shí)候，預(yù)熱時(shí)間就變短些。

4）由于每棟建筑具有不同的使用情況，不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)等，應(yīng)采取不同的分時(shí)分區(qū)調(diào)控策略，建筑室內(nèi)溫升和溫降也會(huì)有所不同。

[1]單曉平.集中供熱系統(tǒng)按建筑分時(shí)供暖方法[J].遼寧:遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(5):502-504

[2]穆連波,張春蕾,王炳南.供熱系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)控制節(jié)能實(shí)測(cè)分析[J].北京:暖通空調(diào),2013,43(6):109-112

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[4]冉春雨,周曉亮,王春清.采用量調(diào)節(jié)分區(qū)分時(shí)供暖應(yīng)用研究[J].吉林:吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(1):75-78

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50189-20 05)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005

[6]李兆堅(jiān),江億,燕達(dá).住宅間歇供暖模擬分析[J].暖通空調(diào),2005, 35(8):110-113

Ene rgy Cons um ption Sim ula tion a nd Ana lys is of Tim e a nd Zone Control for Public Buildings

SHAO Zong-yi,MA Chang-ming,WEI Zi-chun
HVAC Key Laboratory in Beijing,Beijing University of Architecture

This paper makes a theoretical analysis of energy conservation of time and zone control for heating system. An office building of Beijing is simulated in two cases of continuous heating and time and zone control heating through the energy simulation software of DeST-C.According to the simulation data We analysis heating consumption and the temperature variation of typical room of the building in two kinds of heating mode.Engineering example simulation shows that public buildings which take time and zone control for heating system can achieve the required heating and energy-saving effect is remarkable.

continuous heating,time and zone control,energy conservation,energy consumption comparison

1003-0344（2015）02-075-4

2013-9-29

邵宗義（1961～），男，碩士，設(shè)備總工；北京市西城區(qū)展覽館路1號(hào)北京建筑大學(xué)3號(hào)樓213室（100044）；E-mail:shaozongyi@126.com