建筑热惰性对辐射供暖系统蓄热策略影响研究

姜镀辉 崔红社* 杨佳林 高屾

青岛理工大学环境与市政工程学院

0 引言

由于建筑围护结构具有一定热惰性，使热源供应的热量无法直接反映在地板表面温度变化上，且周期性动态变化的室外气象条件也无法直接反应在室内温度变化上。有效地利用建筑围护结构的热惰性，对于间歇性供暖的建筑，可以降低建筑能耗，在提高室内舒适性以及缓解用电压力等方面发挥的作用已得到广泛的认可[1-3]。但针对于连续性供暖的住宅建筑，利用建筑围护结构的热惰性进行蓄热，制定合理的蓄热运行策略，并分析不同建筑热惰性对蓄热运行策略的影响，研究的还较少。

因此，本文以寒冷地区100m2典型连续性供暖的农村独立民居为对象，在TRNSYS软件平台上构建了以空气源热泵为热源的地板辐射供暖系统仿真计算模型，结合GenOpt软件上的Hooke-Jeeves算法对供暖系统运行策略进行优化。考虑当地峰谷电价，以采暖季运行费用最低为目标，得到在外墙传热系数不变的前提下，不同建筑外墙热惰性下的最佳蓄热温度与蓄热时间，并分析建筑外墙热惰性的改变对供暖系统蓄热策略的影响规律。

1 模型搭建

建筑地点位于北京，共有左卧室、客厅、中卧室、厨房4个供暖房间，为单层居住建筑，层高3.2m，总供暖面积100m2。根据GBT50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》相关规定和要求，对文献[4]中的寒冷地区典型农村居住建筑围护结构进行改造，外墙增加8cm膨胀聚苯板外保温，窗户改为中空玻璃，改造后的围护结构传热系数如表1所示。

表1 改造后围护结构传热系数

该典型建筑通风换气次数为1次/h，南向窗墙比为0.1，北向窗墙比为0.05。地板辐射采暖表面为水泥，最下方设置隔热层，填充层为60mm混凝土。地埋管为DN20的PE管，管间距200mm。共有4路盘管，各路管长分别为97m、89m、96m、95m。典型农村居住建筑供暖盘管平面图如图1所示。

图1 典型农村居住建筑供暖盘管平面图

采用空气源热泵为系统提供热量，空气源热泵选择麦克维尔风冷热泵MACO50ER5-AE，水泵选择卧式多级离心泵，效率0.5，扬程17m，流量2.5m3/h。该系统设备参数如表2所示。

表2 系统设备参数

采用麦克维尔提供的空气源热泵性能测试数据，通过文献[5]对热泵机组制热性能系数进行除霜修正，使用FORTRAN编写新的空气源热泵模块type237。供暖系统用到的TRNSYS部件包括：空气源热泵type237、水泵type3b、双位控制器type2b、时间控制器type14h、气象数据读取器type109、建筑模型type56、焓湿图type33e、有效天空温度计算type69b、TRNOPT优化模块等。天气文件采用北京典型气象年TMY2数据文件，TRNSYS仿真系统如图2所示。

图2 TRNSYS仿真系统

假设条件：

1）系统未考虑压力变化对水泵能效的影响，

2）系统未考虑机组到盘管间管道散热损失，

3）目前只针对热泵机组供热的研究，若有制冷需求，末端可添加风机盘管。

2 墙体热惰性对蓄热运行策略的影响

2.1 利用建筑本体蓄热运行策略

空气源热泵供水温度早6点到晚6点为42℃，晚6点到早6点为40℃。通过检测室内温度，调整各房间支路上的电磁阀开度来保证室内设定温度。非蓄热时段各房间室内温度设定为18℃，蓄热时段室内温度设定为18-22℃，蓄热时间为谷时段结束前10h以内。

2.2 建筑热惰性指标

热惰性指标D是评价围护结构热工性能的重要参数，是表征围护结构对温度波衰减快慢程度的无量纲指标，D值大小直接关系到温度波衰减度和延迟时间。热惰性指标表达式如式（1）。

式中：λ为材料导热系数，W/(m·K)；c为比热，W·h/(kg·K)；ρ为材料密度，kg/m3；δ为材料层厚度，m。

表3为不同墙体构造参数，通过改变保温材料厚度，使得增加不同保温材料后的墙体导热系数相同。

表3 墙体构造参数

2.3 优化过程与结果

在保证室内温度的前提下，以采暖季热泵机组与水泵的运行费用最低为目标，由于有蓄热温度与蓄热时间两个变量，两个变量之间相互耦合，且建筑热惰性对蓄热运行策略影响的精度要求较高，采用单因素法难以取得准确的优化结果，因此采用 Hooke-Jeeves算法进行寻优。Hooke-Jeeves算法适用于变量个数少，变量为连续变量的精细化寻优。在处理实验次数庞大的案例时，具有收敛速度快、适应性强等优点。其方法包含着全局搜索与使用坐标搜索方法的局部搜索，两种方法交替进行直至满足收敛条件，得到取得目标函数最小点。Hooke-Jeeves算法优化流程如图3所示。

图3 Hooke-Jeeves算法优化流程图

蓄热温度范围为18～22℃，蓄热时间范围为0～10 h。北京农村地区峰谷电价如表4所示，构造1～4的优化结果分别如图4～7所示。

表4 北京农村地区居民用电峰谷电价

图4 构造1优化结果

图5 构造2优化结果

图6 构造3优化结果

图7 构造4优化结果

图4～7为构造1～4的优化结果，图中横坐标为计算步数，纵坐标分别为蓄热时间、采暖季运行费用、蓄热温度。根据构造1～4的优化结果，得到不同外墙构造采暖季运行费用如表5所示。

表5 不同外墙构造采暖季运行费用

随着建筑热惰性指标的改变，最优蓄热温度在19.6℃左右，最优蓄热时间在6h左右，最优蓄热策略运行费用节省比例在4%左右，且随着建筑热惰性指标的增加，无蓄热策略与最优蓄热策略运行费用随之降低，最优蓄热策略运行费用下降的速度更快。总体来看，随着外墙热惰性指标增大，最优蓄热温度略有升高，最优蓄热时间升高，最优蓄热策略运行费用节省比例略有增加。

3 结论

通过连接 TRNSYS内部各模块，搭建空气源热泵辐射供暖系统计算模型并通过 GenOpt 软件上的Hooke-Jeeves 算法对供暖系统蓄热策略进行优化计算，运算过程收敛性好，说明TRNSYS与GenOpt能较好的处理供暖系统蓄热运行策略优化问题，对制定供暖系统蓄热运行策略具有极大的帮助。

以寒冷地区100 m2典型建筑为对象，结合当地电价，利用建筑围护结构进行谷时段蓄热。保持外墙传热系数不变的情况下，改变外墙热惰性指标，随着外墙热惰性指标增大，蓄热温度略有升高，蓄热时间升高，最优蓄热策略运行费用节省比例略有增加。建筑外墙热惰性指标在 5.4～7.6 之间，最优蓄热温度在19.5～20℃之间，最优蓄热时间在 5～7 h 之间，最优蓄热策略运行费用节省比例在3.6%～4.1%之间。