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(xué)院 建筑學(xué)院,吉林 長春130021;2. 吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)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(jìn),住宅建筑面積大幅度增加,加之人們對居住環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)提升,導(dǎo)致住宅建筑能耗在社會(huì)總能耗中占據(jù)的比重高達(dá)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(fèi)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(dāng)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(xué)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(dāng)日天氣預(yù)報(bào)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(shí)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(xué)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(fù)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(xué)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(jì)算過程

(2)

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

λl=f(λm,λp)

(3)

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

(4)

式內(nèi),hs的計(jì)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(jì)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(jì)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(fù)荷數(shù)學(xué)模型

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

(8)

2.1.3 綠色住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱數(shù)學(xué)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面之間的強(qiáng)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(shí)間內(nèi),強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)、外表面溫度分別用TA、TB描述;圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積為A;圍護(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)每層材料的熱傳導(dǎo)形式

(10)

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

綠色住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與室內(nèi)空氣均擁有熱存儲(chǔ)性能,是因?yàn)槠渖郎鼗蚪禍貢r(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量的吸收和釋放行為,可利用下式描述熱存儲(chǔ)過程:

(11)

式內(nèi),在單位時(shí)間內(nèi),綠色住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料與室內(nèi)空氣的蓄熱量用Qm描述;圍護(hù)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(shí)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(jìn)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(shí)導(dǎo)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(fù)荷數(shù)學(xué)模型,對采暖季綠色住宅建筑需要的熱負(fù)荷進(jìn)行模擬,獲得熱負(fù)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(xué)模型,得到熱負(fù)荷與采暖供水溫度的關(guān)聯(lián),進(jìn)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(shí)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(fù)荷,經(jīng)過分析可知,單位面積熱負(fù)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(dǎo)致某些熱負(fù)荷點(diǎn)不在擬合線上的主要因素,但影響熱負(fù)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(fù)荷q與室外溫度to之間的表達(dá)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(xué)模型與建筑單位面積熱負(fù)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(gè)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(shí)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(dāng)日天氣預(yù)報(bào)獲取第二日的室外最低溫度,以實(shí)現(xiàn)第二日供水溫度的調(diào)節(jié),進(jìn)而達(dá)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(jī)選擇3棟樓作為仿真對象,分別用A、B、C標(biāo)記,使用DeST對其整個(gè)采暖季的熱負(fù)荷進(jìn)行模擬,并利用本文方法實(shí)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(jì)分析某年11.15～次年3.15,A樓單位面積熱負(fù)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(fù)荷和室外溫度的變化情況

分析圖4可以看出,在整個(gè)采暖季,A樓的單位面積熱負(fù)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(jìn)行有效的調(diào)節(jié),極容易導(dǎo)致熱量的浪費(fèi),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(jì)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(shí)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(dǎo)致的熱量浪費(fèi)問題。

為進(jìn)一步驗(yàn)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(biāo)衡量用戶需求與采暖實(shí)際供熱量的關(guān)系,指標(biāo)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(jī)形式分別從3棟樓中選擇4戶進(jìn)行驗(yàn)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(shí)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(shí)～下午16時(shí)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(shí)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(jìn)行采暖熱量供需平衡調(diào)節(jié)后,該休息日不同時(shí)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(dá)到綠色住宅建筑的節(jié)能環(huán)保目標(biāo),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(yàn)證,該方法能夠打破傳統(tǒng)采暖僅使用固定供水溫度進(jìn)行供給的限制,可以在不同室外溫度區(qū)間下實(shí)現(xiàn)用戶需求與采暖實(shí)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。