柏 松 ,黃 瑞 ,盧子斌 ,常雪梅 ,明 鑫
(1.天津市城安熱電有限公司,天津 300201;2.天津津能易安泰科技有限公司,天津 300384;3.天津能源投資集團(tuán)技術(shù)中心,天津 300384)
建筑用熱分析是確定合理的節(jié)能策略的基礎(chǔ),是節(jié)能降耗工作的熱點(diǎn)[1]。目前全國(guó)北方大部分城市都在大力推廣供熱的計(jì)量收費(fèi),計(jì)量收費(fèi)如何定價(jià),怎樣在保證供熱企業(yè)正常運(yùn)營(yíng)的前提下為終端用戶降低供熱費(fèi)用,降低供熱企業(yè)供熱成本,增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,這都依賴于供熱系統(tǒng)熱利用率的提高,根本解決方法就是對(duì)終端用戶的用熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測(cè)量和統(tǒng)計(jì)出各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗,減少不必要的熱損,平衡供熱峰值,讓熱能得到充分的利用,最大限度地降低用熱成本。所以有必要對(duì)終端熱用戶進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與節(jié)能管理。
項(xiàng)目的主要內(nèi)容是通過(guò)熱量表、室內(nèi)溫度傳感器等設(shè)備采集終端熱用戶供熱信息,分析其戶型、面積、朝向、建筑節(jié)能等級(jí)、室外溫度、地理位置、層數(shù)等因素與戶用熱量之間的關(guān)系,分析用戶熱量數(shù)據(jù)是否正常。根據(jù)溫度測(cè)點(diǎn)在測(cè)量空間內(nèi)的不規(guī)則布置,采用插值算法獲取空間內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布值,評(píng)測(cè)建筑物內(nèi)每個(gè)位置的溫度與供暖裝置的位置關(guān)系,調(diào)整供熱設(shè)施的安裝位置;根據(jù)各個(gè)熱用戶的房屋建筑特點(diǎn),計(jì)算建筑采暖熱負(fù)荷指標(biāo);根據(jù)室內(nèi)外的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整供熱控制閥,調(diào)整供熱量,使熱用戶室內(nèi)溫度達(dá)到均勻、舒適的狀態(tài)。
在比較了距離權(quán)重法,樣條插值法等差值算法后,本文決定采用具有訂正方案的高斯權(quán)重插值法計(jì)算空間內(nèi)的溫度場(chǎng)。具體訂正方案的高斯權(quán)重插值法簡(jiǎn)介[4]如下:
首先將待分析空間劃分網(wǎng)格,并通過(guò)設(shè)定半徑內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度值計(jì)算分析區(qū)網(wǎng)格上的溫度值。
設(shè) F0(i, j)為分析區(qū)內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)的要素值,(i, j)為各點(diǎn)行列序號(hào),F(xiàn)(k)為測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值,k為測(cè)點(diǎn)序號(hào),則插值公式為
式中:ri,j,k為格點(diǎn)(i, j)到 k 測(cè)點(diǎn)之間的距離;K 為分析區(qū)和影響區(qū)半徑內(nèi)的測(cè)點(diǎn)總數(shù);a為常數(shù)。
為了得到與實(shí)際值更加接近的計(jì)算值,要通過(guò)插值網(wǎng)點(diǎn)上的插出值反算測(cè)點(diǎn)處的溫度估計(jì)值并確定插值誤差。設(shè)F0(k)為用網(wǎng)格點(diǎn)上的插出值F0(i, j)反算出來(lái)的測(cè)點(diǎn)要素估計(jì)值,則用式(3)確定插值誤差 FD(k):
式中:m,n為待分析區(qū)插值網(wǎng)絡(luò)上的各點(diǎn)序號(hào)。設(shè)格點(diǎn)上修正的要素為 FD(i, j),則:
式中:s為小于1的正數(shù),影響計(jì)算值向?qū)嶋H值收斂的速度。
最后,通過(guò)測(cè)點(diǎn)處的差值誤差計(jì)算分析區(qū)網(wǎng)格上的溫度值插值誤差并訂正網(wǎng)格上的溫度值,就可以得到測(cè)量空間內(nèi)相對(duì)準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)。
插值結(jié)果利用LabVIEW中的三維高線圖進(jìn)行顯示,視角選擇XY正交方向,顏色梯度自適應(yīng)于溫度極值的變化。將各層溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和樓層坐標(biāo)z送入三維曲面圖控件進(jìn)行顯示,可以得到三維溫度場(chǎng)圖。根據(jù)溫度場(chǎng)圖,合理布局供暖設(shè)備的安裝位置。
根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012規(guī)定,采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)q(W/m2)是在采暖室外計(jì)算溫度條件下,為保持室內(nèi)計(jì)算溫度,單位建筑面積在單位時(shí)間內(nèi)需由鍋爐房向其它供熱設(shè)施供給的熱量。采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)q計(jì)算公式為
式中:Q為冬季采暖通風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷(W),Q值應(yīng)根據(jù)建筑物下列散失的、獲得的熱量確定;Ao為建筑面積(m2)。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量包括基本耗熱量和附加耗熱量,且基本耗熱量計(jì)算公式為
式中:Qi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量(W);a為溫差修正系數(shù);F為計(jì)算傳熱面積(m2);K為傳熱系數(shù)(W/(m2·℃));tn為冬季室內(nèi)計(jì)算溫度(℃);twm為采暖室外計(jì)算溫度(℃)。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加耗熱量包括朝向附加、風(fēng)力附加、外門(mén)附加和高度附加,各項(xiàng)附加應(yīng)按其占基本耗熱量的百分比確定:
式中:Q1、Qi、 βch、 βf、 βlang、 βfg分別表示考慮各項(xiàng)附加后,某圍護(hù)的耗熱量、圍護(hù)的基本耗熱量、朝向修正、風(fēng)力修正、兩面外墻修正、房高附加。
加熱由門(mén)窗隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量,新設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算公式為
式中:Q2為由門(mén)窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量(W);cp為干空氣的定壓質(zhì)量比熱容,等于1.0056 kJ/(kg·℃);ρwn為采暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度(kg/m3);V 為滲透冷空氣量(m3/h);tn為冬季室內(nèi)計(jì)算溫度(℃);twn為采暖室外計(jì)算溫度(℃)。
V計(jì)算公式為
式中:L0為在基準(zhǔn)高度單純風(fēng)壓作用下,不考慮朝向修正和內(nèi)部隔斷的情況時(shí),每米門(mén)窗縫隙的理論滲透冷空氣量(m3/(m·h));l為門(mén)窗縫隙的計(jì)算長(zhǎng)度(m);m為冷風(fēng)滲透壓差綜合修正系數(shù);b為門(mén)窗縫滲風(fēng)指數(shù),b=0.56~0.78。新設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)公式的形式及有關(guān)參數(shù)的確定上都進(jìn)行了較大的修訂,加熱由門(mén)窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量的計(jì)算將更加合理和精確。
另外熱負(fù)荷還和由門(mén)、孔沿及相鄰房間浸入的冷空氣的耗熱量、建筑內(nèi)部設(shè)備得熱、通過(guò)其他途徑散失或獲得的熱量相關(guān),采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)的計(jì)算以Q1項(xiàng)和Q2項(xiàng)為主,后三項(xiàng)對(duì)室溫的影響通過(guò)測(cè)量室內(nèi)溫度,調(diào)整供熱調(diào)節(jié)閥的變化量來(lái)補(bǔ)償。
在供熱系統(tǒng)中,熱水通過(guò)釋放熱量給終端用戶供熱,在一定的時(shí)間內(nèi),其熱量與進(jìn)出水管的溫差、流過(guò)熱水的體積成正比,因此通過(guò)控制供熱調(diào)節(jié)閥可以實(shí)現(xiàn)供熱負(fù)荷指標(biāo)。
熱能表由流量計(jì)、溫度傳感器和計(jì)算器組成??梢圆杉┗厮疁囟?、瞬時(shí)流量、累積流量、累計(jì)熱量等數(shù)據(jù),根據(jù)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算瞬時(shí)供熱量:
式中:Q 為釋放的瞬時(shí)熱量(W);c為比熱(kJ/(kg·℃));ρ為t溫度下的供水密度(kg/m3);V為供水瞬時(shí)流量(m3/h);t為供水溫度(℃);t1為回水溫度(℃)。
供熱管路儀表安裝如圖1所示。供水管路安裝供水球閥、過(guò)濾器、供熱調(diào)節(jié)閥、熱量表,回水管路安裝回水球閥。熱量表測(cè)量數(shù)據(jù)和供熱調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度信息通過(guò)M-Bus總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通訊終端,來(lái)自服務(wù)器的控制供熱閥的指令通過(guò)M-Bus傳達(dá)至供熱調(diào)節(jié)閥??删幊虦囟瓤刂破骱凸嵴{(diào)節(jié)閥以無(wú)線方式通訊,終端用戶可以在可編程溫度控制器上自主設(shè)置需要的室內(nèi)溫度,該溫度的上下限由供熱管理員設(shè)置,避免終端熱用戶室溫超標(biāo)導(dǎo)致熱量損失。
圖1 供熱管路儀表安裝示意Fig.1 Schematic diagram of heating pipe instrument installation
在終端熱用戶戶內(nèi)布置若干溫度采集器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端熱用戶室內(nèi)溫度情況,戶外安裝溫度采集器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端熱用戶室外溫度情況,溫度采集器通過(guò)無(wú)線方式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通訊終端,通訊終端通過(guò)GPRS方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下傳輸,數(shù)據(jù)可以傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中,也可上傳給上位機(jī)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程終端用戶登陸后可以訪問(wèn)、查詢和下載等。服務(wù)器依據(jù)收集到的終端信息,計(jì)算出終端采暖熱負(fù)荷指標(biāo),根據(jù)該指標(biāo)和熱用戶的個(gè)體需求計(jì)算出需要的供水流量,進(jìn)而控制供熱調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)供熱目標(biāo)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware system architecture diagram
本項(xiàng)目利用NI LabVIEW 2013軟件平臺(tái)技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室溫、熱耗、終端熱用戶需求、供熱調(diào)節(jié)閥開(kāi)度等數(shù)據(jù),計(jì)算出與面積、方位、室外溫度等參數(shù)相關(guān)的熱負(fù)荷需求,計(jì)算該終端用戶在被測(cè)時(shí)段最合理的供熱指標(biāo)下的精確供熱量,進(jìn)而計(jì)算出供熱調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)供熱目標(biāo)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Software system architecture diagram
計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)具有室內(nèi)溫度采集、熱量遠(yuǎn)程采集、能耗綜合分析、控制節(jié)能等功能,依托云計(jì)算型通信終端,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高速傳輸,大幅度節(jié)省通訊流量費(fèi)用;系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出供熱能源單耗情況,為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供主要數(shù)據(jù);系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入、導(dǎo)出及自定義報(bào)表功能,可以根據(jù)采集計(jì)算的數(shù)據(jù),計(jì)算出供熱調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)控制。溫度采集和溫度設(shè)置如圖4所示,調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)置如圖5所示,高斯權(quán)重插值程序如圖6所示。
圖4 溫度采集和溫度設(shè)置Fig.4 Temperature acquisition and temperature settings
圖5 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度數(shù)據(jù)采集及設(shè)置Fig.5 Acquisition and settings of regulating valve opening data
圖6 高斯權(quán)重插值程序Fig.6 Gaussian weighted interpolation program diagram
評(píng)估系統(tǒng)對(duì)相同氣象環(huán)境下的同一小區(qū)的同一建筑、不同樓層的終端熱用戶,加入供熱控制調(diào)節(jié)裝置前后的用熱量進(jìn)行測(cè)量和比較,意在測(cè)量出供熱數(shù)據(jù)、加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后室內(nèi)溫度情況、供熱量變化情況,評(píng)估出加入計(jì)算機(jī)供熱調(diào)節(jié)后供熱效果的改善和節(jié)能的實(shí)現(xiàn)效果。
我們選取了2個(gè)供熱季室外溫度環(huán)境一致的供熱數(shù)據(jù)做分析對(duì)比,系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.7 System test data
從室內(nèi)采集的溫度數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于室外溫度相同的時(shí)間段,加入計(jì)算機(jī)供熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定,波動(dòng)明顯減小,室內(nèi)各個(gè)位置溫差減小。從單日用熱量數(shù)據(jù)來(lái)看,加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后在保證室內(nèi)溫度基本不變的基礎(chǔ)上,用熱量減少約10%。熱用戶可以根據(jù)個(gè)人生活習(xí)慣調(diào)整不同時(shí)段的供熱量,使節(jié)能效果更加明顯。
能源是社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力,有計(jì)劃、有節(jié)制地利用能源是可持續(xù)發(fā)展的重要保證[5]。通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)施可提高供熱系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平,為供熱系統(tǒng)的可觀可控提供硬件和數(shù)據(jù)支撐;通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)施可減少熱能消耗,節(jié)省人力和水利資源,大幅度節(jié)能減排,達(dá)到增收節(jié)支的目的。通過(guò)測(cè)試,該系統(tǒng)部署方便,可以在供熱企業(yè)間推廣,實(shí)現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的效果,促進(jìn)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。
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