建筑物室内用热计算机监测评估系统

柏 松 ，黄 瑞 ，卢子斌 ，常雪梅 ，明 鑫

（1.天津市城安热电有限公司，天津 300201；2.天津津能易安泰科技有限公司，天津 300384；3.天津能源投资集团技术中心，天津 300384）

建筑用热分析是确定合理的节能策略的基础，是节能降耗工作的热点[1]。目前全国北方大部分城市都在大力推广供热的计量收费，计量收费如何定价，怎样在保证供热企业正常运营的前提下为终端用户降低供热费用，降低供热企业供热成本，增加企业竞争力，这都依赖于供热系统热利用率的提高，根本解决方法就是对终端用户的用热数据进行分析，测量和统计出各个环节的能耗，减少不必要的热损，平衡供热峰值，让热能得到充分的利用，最大限度地降低用热成本。所以有必要对终端热用户进行环境监测与节能管理。

1 系统方案

1.1 方案论述

项目的主要内容是通过热量表、室内温度传感器等设备采集终端热用户供热信息，分析其户型、面积、朝向、建筑节能等级、室外温度、地理位置、层数等因素与户用热量之间的关系，分析用户热量数据是否正常。根据温度测点在测量空间内的不规则布置，采用插值算法获取空间内各点的温度分布值，评测建筑物内每个位置的温度与供暖装置的位置关系，调整供热设施的安装位置；根据各个热用户的房屋建筑特点，计算建筑采暖热负荷指标；根据室内外的实时数据调整供热控制阀，调整供热量，使热用户室内温度达到均匀、舒适的状态。

1.2 方案算法

1.2.1 温度场高斯权重插值法

在比较了距离权重法，样条插值法等差值算法后，本文决定采用具有订正方案的高斯权重插值法计算空间内的温度场。具体订正方案的高斯权重插值法简介[4]如下：

首先将待分析空间划分网格，并通过设定半径内测点的温度值计算分析区网格上的温度值。

设 F0（i， j）为分析区内网格点的要素值，（i， j）为各点行列序号，F（k）为测点实测值，k为测点序号，则插值公式为

式中：ri，j，k为格点（i， j）到 k 测点之间的距离；K 为分析区和影响区半径内的测点总数；a为常数。

为了得到与实际值更加接近的计算值，要通过插值网点上的插出值反算测点处的温度估计值并确定插值误差。设F0（k）为用网格点上的插出值F0（i， j）反算出来的测点要素估计值，则用式（3）确定插值误差 FD（k）：

式中：m，n为待分析区插值网络上的各点序号。设格点上修正的要素为 FD（i， j），则：

式中：s为小于1的正数，影响计算值向实际值收敛的速度。

最后，通过测点处的差值误差计算分析区网格上的温度值插值误差并订正网格上的温度值，就可以得到测量空间内相对准确的温度场。

插值结果利用LabVIEW中的三维高线图进行显示，视角选择XY正交方向，颜色梯度自适应于温度极值的变化。将各层温度场数据和楼层坐标z送入三维曲面图控件进行显示，可以得到三维温度场图。根据温度场图，合理布局供暖设备的安装位置。

1.2.2 采暖设计热负荷指标计算

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012规定，采暖设计热负荷指标q（W/m2）是在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内需由锅炉房向其它供热设施供给的热量。采暖设计热负荷指标q计算公式为

式中：Q为冬季采暖通风系统的热负荷（W），Q值应根据建筑物下列散失的、获得的热量确定；Ao为建筑面积（m2）。

围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量，且基本耗热量计算公式为

式中：Qi为围护结构的基本耗热量（W）；a为温差修正系数；F为计算传热面积（m2）；K为传热系数（W/（m2·℃））；tn为冬季室内计算温度（℃）；twm为采暖室外计算温度（℃）。

围护结构附加耗热量包括朝向附加、风力附加、外门附加和高度附加，各项附加应按其占基本耗热量的百分比确定：

式中：Q1、Qi、 βch、 βf、 βlang、 βfg分别表示考虑各项附加后，某围护的耗热量、围护的基本耗热量、朝向修正、风力修正、两面外墙修正、房高附加。

加热由门窗隙渗入室内的冷空气的耗热量，新设计规范中的计算公式为

式中：Q2为由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量（W）；cp为干空气的定压质量比热容，等于1.0056 kJ/（kg·℃）；ρwn为采暖室外计算温度下的空气密度（kg/m3）；V 为渗透冷空气量（m3/h）；tn为冬季室内计算温度（℃）；twn为采暖室外计算温度（℃）。

V计算公式为

式中：L0为在基准高度单纯风压作用下，不考虑朝向修正和内部隔断的情况时，每米门窗缝隙的理论渗透冷空气量（m3/（m·h））；l为门窗缝隙的计算长度（m）；m为冷风渗透压差综合修正系数；b为门窗缝渗风指数，b=0.56～0.78。新设计规范对公式的形式及有关参数的确定上都进行了较大的修订，加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量的计算将更加合理和精确。

另外热负荷还和由门、孔沿及相邻房间浸入的冷空气的耗热量、建筑内部设备得热、通过其他途径散失或获得的热量相关，采暖设计热负荷指标的计算以Q1项和Q2项为主，后三项对室温的影响通过测量室内温度，调整供热调节阀的变化量来补偿。

1.2.3 动态调节阀控制

在供热系统中，热水通过释放热量给终端用户供热，在一定的时间内，其热量与进出水管的温差、流过热水的体积成正比，因此通过控制供热调节阀可以实现供热负荷指标。

热能表由流量计、温度传感器和计算器组成。可以采集供回水温度、瞬时流量、累积流量、累计热量等数据，根据采集回来的数据可以计算瞬时供热量：

式中：Q 为释放的瞬时热量（W）；c为比热（kJ/（kg·℃））；ρ为t温度下的供水密度（kg/m3）；V为供水瞬时流量（m3/h）；t为供水温度（℃）；t1为回水温度（℃）。

2 系统硬件设计

供热管路仪表安装如图1所示。供水管路安装供水球阀、过滤器、供热调节阀、热量表，回水管路安装回水球阀。热量表测量数据和供热调节阀的开度信息通过M-Bus总线传输到数据通讯终端，来自服务器的控制供热阀的指令通过M-Bus传达至供热调节阀。可编程温度控制器和供热调节阀以无线方式通讯，终端用户可以在可编程温度控制器上自主设置需要的室内温度，该温度的上下限由供热管理员设置，避免终端热用户室温超标导致热量损失。

图1 供热管路仪表安装示意Fig.1 Schematic diagram of heating pipe instrument installation

在终端热用户户内布置若干温度采集器，实时监测终端热用户室内温度情况，户外安装温度采集器，实时监测终端热用户室外温度情况，温度采集器通过无线方式将测量数据传输到数据通讯终端，通讯终端通过GPRS方式实现数据的上下传输，数据可以传到网络服务器中，也可上传给上位机保存到数据库中，上传到数据库的数据，远程终端用户登陆后可以访问、查询和下载等。服务器依据收集到的终端信息，计算出终端采暖热负荷指标，根据该指标和热用户的个体需求计算出需要的供水流量，进而控制供热调节阀实现供热目标。硬件系统结构如图2所示。

图2 硬件系统结构Fig.2 Hardware system architecture diagram

3 系统软件设计

本项目利用NI LabVIEW 2013软件平台技术，实时监测室温、热耗、终端热用户需求、供热调节阀开度等数据，计算出与面积、方位、室外温度等参数相关的热负荷需求，计算该终端用户在被测时段最合理的供热指标下的精确供热量，进而计算出供热调节阀的开度，实现供热目标。软件系统结构如图3所示。

图3 软件系统结构Fig.3 Software system architecture diagram

计算机软件平台具有室内温度采集、热量远程采集、能耗综合分析、控制节能等功能，依托云计算型通信终端，运行稳定可靠，保证了数据的稳定高速传输，大幅度节省通讯流量费用；系统可以实时计算出供热能源单耗情况，为经济运行提供主要数据；系统具备数据批量导入、导出及自定义报表功能，可以根据采集计算的数据，计算出供热调节阀的开度，实现供热调节控制。温度采集和温度设置如图4所示，调节阀开度设置如图5所示，高斯权重插值程序如图6所示。

图4 温度采集和温度设置Fig.4 Temperature acquisition and temperature settings

图5 调节阀开度数据采集及设置Fig.5 Acquisition and settings of regulating valve opening data

图6 高斯权重插值程序Fig.6 Gaussian weighted interpolation program diagram

4 系统测试

评估系统对相同气象环境下的同一小区的同一建筑、不同楼层的终端热用户，加入供热控制调节装置前后的用热量进行测量和比较，意在测量出供热数据、加入调节系统后室内温度情况、供热量变化情况，评估出加入计算机供热调节后供热效果的改善和节能的实现效果。

我们选取了2个供热季室外温度环境一致的供热数据做分析对比，系统测试数据如图7所示。

图7 系统测试数据Fig.7 System test data

从室内采集的温度数据可以看出，对于室外温度相同的时间段，加入计算机供热调节系统后，室内温度比较稳定，波动明显减小，室内各个位置温差减小。从单日用热量数据来看，加入调节系统后在保证室内温度基本不变的基础上，用热量减少约10%。热用户可以根据个人生活习惯调整不同时段的供热量，使节能效果更加明显。

5 结语

能源是社会发展的动力，有计划、有节制地利用能源是可持续发展的重要保证[5]。通过该系统的实施可提高供热系统自动化控制水平，为供热系统的可观可控提供硬件和数据支撑；通过该系统的实施可减少热能消耗，节省人力和水利资源，大幅度节能减排，达到增收节支的目的。通过测试，该系统部署方便，可以在供热企业间推广，实现绿色低碳、节能环保的效果，促进建设资源节约型、环境友好型社会。

[1]刘丹丹，陈启军，森一之，等.基于数据的建筑能耗分析与建模[J].同济大学学报：自然科学版，2010，38（12）：1841-1845

[2]Ratko Grbic，Dino Kurtagic，Drazen Sliskovic.Stream water temperature prediction based on Gaussian process regression[J].Expert Systems with Application，2013，40（18）：7407-7414.

[3]Semih，Soner，Selin.Energy efficiency assessment for the Antalya region hotels in Turkey[J].Energy& Buildings，2006，38（8）：964～971.

[4]杨昌军，陈渭民，罗玲，等.高斯权重法在温度场插值中的应用研究[J].南京气象学报，2004，27（5）：606-614.

[5]李珠，张泽平，刘元珍，等.建筑节能的重要性及一项新技术[J].工程力学，2006，23（z2）：141-149.