绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节方法仿真

周 诣,白 莉

(1. 长春工程学院 建筑学院,吉林 长春130021;2. 吉林建筑大学 市政与环境工程学院,吉林 长春130118)

1 引言

随着我国城镇化建设的不断推进,住宅建筑面积大幅度增加,加之人们对居住环境标准的持续提升,导致住宅建筑能耗在社会总能耗中占据的比重高达35%,其中采暖能耗所占比例最大[1]。造成该问题的主要原因表现在采暖系统缺乏与用户需求相匹配的调节策略,从而引发采暖热量供需失衡[2,3],频繁发生开窗散热等浪费热量的行为。在此背景下,能够实现能源节约和可持续发展的绿色住宅建筑成为建筑行业发展的必然趋势[4],它是将能源高效利用和人与自然持续共生作为原则,使建筑所需能源系统保持良性循环且无污染的一种住宅模式,因此研究合理的采暖热量调节方法,在保证人们居住舒适度的前提下,解决采暖热量供需矛盾[5],充分发挥绿色住宅建筑的功效,成为当前建筑业面临的重要课题。

该课题引起很多相关专家和学者的重视,例如王旭东等人和倪平安等人,分别利用模型预测控制与数据分析技术完成采暖热量供需平衡调节[6,7]。以上方法的调节节能分别为12%～31%、15%～26%,调节效果较为显著,但在建模过程中未考虑天气、室外温度等对用户舒适度影响较大的因素。因此为解决该问题,本文提出绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节方法仿真,通过分析绿色住宅建筑采暖供水温度与室外温度之间的关系,依据当日天气预报获取的次日室外最低温度,利用集中质调节改变采暖供水温度,实现绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节。

2 采暖热量供需平衡调节方法仿真

2.1 绿色住宅建筑采暖热量供需模型构建

2.1.1 绿色住宅建筑地板辐射的传热数学模型

绿色住宅建筑室内需要的温度可以通过地板的散热量来维持,其由对流及辐射换热2方面组成。为获得绿色住宅建筑室内需要的热负荷和采暖供水温度的关系,创建地板辐射的传热数学模型。利用式(1)描述绿色住宅建筑地板辐射的热传递过程

q1=hsts-ta

q2=Kutb-ts

(1)

q3=Kltw-tb

式内,绿色住宅建筑单位面积传热量用q1～q3描述,三者的值相等;地板上、下层以及表面综合传热系数分别用Ku、Kl、hs描述;地板表面温度用ts描述;室内空气温度用ta描述;地板上下层接触面温度用tb描述;水温度用tw描述,表示为tw=(tg+ta)/2,其中采暖供水温度用tg描述。

绿色住宅建筑地板上层厚度用δu=δ1+δ2+…+δm-Dp描述,其中Dp代表采暖管径,其值与地板下层厚度相等,表示为δl=Dp,则可以利用式(2)描述地板上、下层传热系数的计算过程

(2)

式内,地板m层和下层的导热系数分别用λm、λl描述,绿色住宅建筑采暖管的导热系数用λp描述,当管内呈紊流状态时[8],可使用下式求解λl

λl=f(λm,λp)

(3)

将以上两个公式代进式(1),能获得下式描述的绿色住宅建筑地板表面温度的计算过程

(4)

式内,hs的计算过程用式(5)描述

(5)

式内,地板表面对流及辐射传热系数分别用hc、hr描述,室内房间其余表面温度的平均值用tos描述。下式为求解hr的计算过程

(6)

式内,辐射常数用σ描述;辐射地板的表面积用F1描述;发射率用εi描述;室内房间墙壁或天花板的表面积与温度分别用Fi、Ti描述。下式为求解hc的计算过程

(7)

式内,a、b分别代表绿色住宅建筑室内房间的长与宽,D的值可表示为D=4ab/2a+2b。通过式(5)可以获得ts与绿色住宅建筑采暖供水温度tg的关系,因此求得室外温度to,便能得到tg。

2.1.2 绿色住宅建筑热负荷数学模型

绿色住宅建筑室内热量主要由人员活动、照明电器与设备运行过程中的随机热负荷组成[9,10],可以利用式(8)描述随机热负荷的计算形式

(8)

2.1.3 绿色住宅建筑围护结构的传热数学模型

绿色住宅建筑与外界环境的热交换形式以热对流为主,它由室内空气分别与围护结构内、外表面之间的强制对流和自然对流两部分组成,可使用下式描述两者所传递的热量

Qin=kinA(Tin-TA)

Qex=kexA(TB-to)

(9)

式内,在单位时间内,强制对流传递的热量用Qin描述,自然对流传递的热量用Qex描述;绿色住宅建筑室内外温度分别用Tin、to描述;围护结构材料的内、外表面温度分别用TA、TB描述;围护结构表面积为A;围护结构内、外表面对流传热系数分别用kin、kex描述。

出于对绿色住宅建筑围护结构的分层结构的考虑,利用傅里叶定律获得式(10)所示围护结构每层材料的热传导形式

(10)

式内,绿色住宅建筑围护结构厚度用D描述;围护结构材料的导热系数用kk描述。

绿色住宅建筑围护结构材料与室内空气均拥有热存储性能,是因为其升温或降温时会产生热量的吸收和释放行为,可利用下式描述热存储过程:

(11)

式内,在单位时间内,绿色住宅建筑围护结构材料与室内空气的蓄热量用Qm描述;围护结构材料的比热容用c描述;材料的质量用mm描述。

2.2 绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节实现

依据2.1小节构建的绿色住宅建筑采暖热量供需模型,通过集中质调节改变采暖供水温度,确保绿色住宅建筑采暖热量供需平衡。该调节方法能够突破传统采暖仅使用固定供水温度进行供给的限制,从而有效避免在绿色住宅建筑室外温度超出采暖温度时导致的采暖热量供需矛盾。

引入建筑热环境模拟工具包(DeST),根据创建的绿色住宅建筑热负荷数学模型,对采暖季绿色住宅建筑需要的热负荷进行模拟,获得热负荷与室外温度的关系,在此基础上利用构建的绿色住宅建筑地板辐射的传热数学模型,得到热负荷与采暖供水温度的关联,进而求出绿色住宅建筑采暖供水温度与室外温度之间的联系,即可依据室外温度实现绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节,具体流程用图1描述。

图1 绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节流程

1)使用DeST模拟某绿色住宅建筑某栋楼的采暖季热负荷,经过分析可知,单位面积热负荷与室外温度之间具有反比关系。通过两者的非线性拟合,在室外温度相同的条件下,室外空气湿度、太阳辐照度等是导致某些热负荷点不在拟合线上的主要因素,但影响热负荷最大的因素仍为室外温度。利用以上拟合关系可以得到下式描述的单位面积热负荷q与室外温度to之间的表达式

(12)

式内,绿色住宅建筑采暖管内直径用d描述。

2)将绿色住宅建筑地板辐射的传热数学模型与建筑单位面积热负荷相结合,能够得到q与采暖供水温度tg的相关性,经过分析可知两者之间具有正比关系,通过线性拟合可获得式(13)所示两者的关系式

q=a1tg+b1

(13)

3)调节日间绿色住宅建筑采暖供水温度的基本依据,可选择逐日最不利室外温度to(min),通过上述两个过程能获得图2描述的to(min)与tg的关系曲线。

图2 绿色住宅建筑室外温度与供水温度的关系

从关系曲线可得,在绿色住宅建筑室外温度小于等于-6℃或大于等于15℃的条件下,采暖供水温度较为稳定,因此通过下述调节规则实现绿色住宅建筑采暖热量供需平衡。

(a)A区间(to≤-4):该区间为寒冬期,绿色住宅建筑采暖系统的供水温度需要一直保持在49℃。

(b)B区间(-4

(c)C区间(to≥15):该区间为冬末期,绿色住宅建筑采暖系统的供水温度可一直保持在29℃。

综合上述调节规则,绿色住宅建筑采暖系统可利用当日天气预报获取第二日的室外最低温度,以实现第二日供水温度的调节,进而达到确保绿色住宅建筑采暖热量供需平衡的目的。

3 结果分析

从某地区某绿色住宅建筑中随机选择3栋楼作为仿真对象,分别用A、B、C标记,使用DeST对其整个采暖季的热负荷进行模拟,并利用本文方法实现每栋楼的采暖热量供需平衡调节。这3栋楼的户型完全相同,每户建筑面积为96平方米,层高3.6米,各20层、40户。使用图3描述仿真的建筑户型结构。

图3 绿色住宅建筑户型结构图

统计分析某年11.15～次年3.15,A楼单位面积热负荷和室外温度的变化情况,结果用图4描述。

图4 A楼单位面积热负荷和室外温度的变化情况

分析图4可以看出,在整个采暖季,A楼的单位面积热负荷与室外温度具有反比关系,与文内所得分析结果相同,且两者的变化幅度非常大,若不进行有效的调节,极容易导致热量的浪费,因此绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节十分必要。

统计2020年11月18日～11月30日,使用本文方法对B栋楼的采暖热量供需平衡调节结果,具体用表1描述。

表1 B栋楼的采暖热量供需平衡调节结果

分析表1可以看出,本文方法能很好地依据B栋楼室外温度改变采暖供水温度,从而实现其采暖热量供需平衡调节,且使用该方法调节后,在11月18日～11月30日13天中,出现开窗散热行为的户数仅为5,表明本文方法具有较理想的绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节效果,能有效改善因采暖热量供需矛盾导致的热量浪费问题。

为进一步验证本文方法的绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节能力,引入末端匹配度指标衡量用户需求与采暖实际供热量的关系,指标值越接近于1,则表明调节效果越优异。在不同室外温度区间下,采用随机形式分别从3栋楼中选择4户进行验证,结果用图5描述。

图5 不同室外温度区间的各户末端匹配度结果

分析图5可以发现,在不同室外温度区间下,3栋楼各户的末端匹配度均保持在0.97以上,最高末端匹配度约为0.998,十分接近于1,因此表明本文方法的绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节能力较为优异,能够实现不同室外温度区间下的用户需求与采暖实际供热量的有效匹配。

测试本文方法使用后,某休息日上午8时～下午16时的A、B、C三栋楼的单位面积能耗,结果用图6描述。

图6 不同时刻下的建筑单位面积能耗

从图6可以发现,使用本文方法进行采暖热量供需平衡调节后,该休息日不同时刻下,3栋楼的单位面积能耗始终在40～90kW·h/m2范围内变化,整体建筑单位面积能耗水平较低,因此表明,本文方法对控制绿色住宅建筑能耗具有一定积极作用。

4 结论

建筑采暖能耗是建筑总能耗的主要组成部分,为解决建筑采暖热量供需之间的矛盾,满足人们的环境舒适度要求,并达到绿色住宅建筑的节能环保目标,本文研究绿色住宅建筑采暖热量供需平衡调节方法仿真。通过仿真验证,该方法能够打破传统采暖仅使用固定供水温度进行供给的限制,可以在不同室外温度区间下实现用户需求与采暖实际供热量的有效匹配,并且对于建筑整体能耗的控制具有重要作用。