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簡(jiǎn)毅文，李毅，田園泉，高萌，常小艷

（北京工業(yè)大學(xué)，北京100124）

 [摘要]通過對(duì)北京地區(qū)某建筑集中供熱后的室溫和供暖耗熱量的模擬計(jì)算，側(cè)重于供熱系統(tǒng)供水溫度的調(diào)節(jié)，從定量角度分析氣候補(bǔ)償器靜態(tài)和非靜態(tài)2種補(bǔ)償模式對(duì)建筑供暖效果的影響，對(duì)比2種氣候補(bǔ)償模式下過量供熱的程度，并進(jìn)一步針對(duì)供水溫度調(diào)節(jié)模型的不足展開理論分析。結(jié)果表明，氣候補(bǔ)償器有助于改善建筑室內(nèi)熱狀況，但仍會(huì)出現(xiàn)過量供熱的現(xiàn)象。因此，為最大限度保證熱源端熱量供給與用戶端熱量需求的相一致，管網(wǎng)供水溫度的調(diào)節(jié)不僅要補(bǔ)償外溫的變化，還應(yīng)修正室內(nèi)熱擾、太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的影響，同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱、放熱對(duì)室內(nèi)熱狀況的影響。本文工作對(duì)后續(xù)供水溫度調(diào)節(jié)模型的優(yōu)化研究以及建筑節(jié)能工作的有效開展有重要參考。

 [關(guān)鍵詞]氣候補(bǔ)償器；補(bǔ)償模式；過量供熱；模擬研究

O  引言

 數(shù)據(jù)顯示，2013年北方城鎮(zhèn)供暖能耗為1. 81億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑總能耗的24. 0%。各類供暖系統(tǒng)中，占據(jù)主導(dǎo)地位的一直是集中供熱系統(tǒng)，截止到2013年，北方城鎮(zhèn)地區(qū)整體的集中供熱比例高達(dá)76%。因此，降低集中供熱系統(tǒng)的供暖運(yùn)行能耗已成為建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)。該項(xiàng)工作的關(guān)鍵在于保持熱源端供熱量與建筑用戶端需熱量的相互平衡，以避免對(duì)用戶端的“過量供熱”而導(dǎo)致的不必要能源浪費(fèi)。為此，大量新的技術(shù)手段應(yīng)用于供熱系統(tǒng)改造及其運(yùn)行調(diào)節(jié)中，以期通過對(duì)供水流量和供水溫度的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)熱量的供需平衡。

 氣候補(bǔ)償器即是一種調(diào)節(jié)熱源出力與用戶熱需求之間供需平衡的設(shè)備。該設(shè)備的基本工作原理是根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)熱源出力，從而將系統(tǒng)二次管網(wǎng)出口的供水溫度控制在合理的范圍內(nèi)，以滿足末端用戶的需求、實(shí)現(xiàn)熱量的供需平衡。目前，氣候補(bǔ)償器在集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)中已得到廣泛應(yīng)用。但不可回避的事實(shí)是氣候補(bǔ)償器的實(shí)際應(yīng)用并沒有達(dá)到完全理想的效果，“過量供熱”和“冷熱不均”的現(xiàn)象依然存在。

 目前，已有研究者認(rèn)識(shí)到氣候補(bǔ)償器在供熱系統(tǒng)應(yīng)用中存在的局限性，并從旁通水量、供水溫度控制等方面初步分析問題產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。但尚未對(duì)供水溫度與房間室溫、供暖耗熱量之間的相互關(guān)系開展定量的分析研究，故不能從供熱系統(tǒng)對(duì)建筑熱狀況影響的本質(zhì)上反映氣候補(bǔ)償器調(diào)節(jié)模型的不足，從而提出的改進(jìn)建議還不夠系統(tǒng)和全面。

 對(duì)此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究嘗試采用動(dòng)態(tài)模擬分析的方法開展相關(guān)研究。運(yùn)用DeST軟件的供熱系統(tǒng)模塊，通過北京地區(qū)某案例建筑集中供熱后的室溫和供暖耗熱量的模擬計(jì)算，側(cè)重于供熱系統(tǒng)供水溫度的調(diào)節(jié)，從定量角度分析氣候補(bǔ)償器靜態(tài)和非靜態(tài)兩種補(bǔ)償模式對(duì)建筑供暖效果的影響，并以此分析發(fā)現(xiàn)氣候補(bǔ)償模型中存在的問題及其對(duì)氣候補(bǔ)償器應(yīng)用效果產(chǎn)生的影響。以期為氣候補(bǔ)償模式的改進(jìn)以及建筑節(jié)能工作的有效開展提供參考。

1  氣候補(bǔ)償器概述

圖1、圖2分別為直供和間供集中供熱系統(tǒng)中氣候補(bǔ)償器的工作示意圖。在直供系統(tǒng)中，氣候補(bǔ)償器通過控制電動(dòng)閥開度來調(diào)節(jié)鍋爐進(jìn)、出水管道之間的旁通水量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)供水溫度的控制；在間接供熱系統(tǒng)中，氣候補(bǔ)償器通過控制進(jìn)入換熱器側(cè)的供水流量來控制用戶側(cè)供水溫度。

氣候補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)模型基于穩(wěn)態(tài)熱平衡方程而建立，依據(jù)室內(nèi)溫度T。和室外溫度T。的變化，改變用戶末端供水溫度T。，使房間室內(nèi)溫度T。保持在設(shè)定值，具體如式(1)和式(2)所示。

式中：T。為外溫，℃；T。為供暖室外計(jì)算溫度，℃；T。為設(shè)計(jì)室溫，℃；Ts為實(shí)際外溫下的用戶端供水溫度，℃；T。為設(shè)計(jì)供水溫度，℃；T 7。為設(shè)計(jì)回水溫度，cC；6為散熱器熱性能系數(shù)；Q為相對(duì)供暖負(fù)荷比，即實(shí)際外溫下的熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)熱負(fù)荷之比。

實(shí)際工程應(yīng)用中，為方便運(yùn)行管理人員的操作調(diào)節(jié)，氣候補(bǔ)償器內(nèi)通常設(shè)置有若干條供水溫度調(diào)節(jié)曲線供用戶選擇，以滿足對(duì)室溫的不同設(shè)定需求，圖3表示出某類型氣候補(bǔ)償器的供水溫度曲線。

 圖3中的曲線1至曲線4分別對(duì)應(yīng)設(shè)定室溫22℃、20℃、18℃和16℃的情況，運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行修改，以對(duì)供水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2  研究方法和計(jì)算對(duì)象

 采用模擬分析的方法研究氣候補(bǔ)償器補(bǔ)償模式對(duì)建筑房間熱狀況及供暖耗熱量的定量影響。模擬工具為DeST軟件的供熱系統(tǒng)模塊。

本文所研究供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的連接形式為間接連接，熱源為使用天然氣的燃?xì)忮仩t3臺(tái)，按“兩用一備”的設(shè)計(jì)來運(yùn)行，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。供暖面積約140 000m2，所供暖的區(qū)域主要包括學(xué)生宿舍樓、學(xué)校家屬樓、辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓等。系統(tǒng)二級(jí)管網(wǎng)采用定頻水泵，管網(wǎng)水流量為400m3／h，對(duì)系統(tǒng)二級(jí)管網(wǎng)供水溫度分別按照靜態(tài)和非靜態(tài)的氣候補(bǔ)償模式進(jìn)行隨外溫變化的調(diào)節(jié)。

模擬對(duì)象為本文研究集中供熱系統(tǒng)供暖區(qū)域內(nèi)的某5層學(xué)生宿舍樓，該樓層高3.2 m，建筑平面如圖5所示。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及熱工性能如表1、表2所示。

 宿舍樓房間人員最多為6人；房間照明最大功率為120 W，房間設(shè)備最大功率為200 W；房間通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)定不超過0.5次/h。房間人員、燈光及設(shè)備熱擾的逐時(shí)變化按照學(xué)生的平均作息狀況確定，各房間散熱器的片數(shù)及散熱器供水流量采用由95℃、70℃供回水溫度所確定的設(shè)計(jì)計(jì)算值。

在使用DeST軟件模擬計(jì)算房間室溫及其供暖耗熱量之前，需要對(duì)DeST供熱模塊的可行性進(jìn)行分析。對(duì)此，根據(jù)對(duì)該供熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)（系統(tǒng)二級(jí)管網(wǎng)逐時(shí)供水溫度，逐時(shí)的室外氣象參數(shù)，人員逐時(shí)停留，照明和設(shè)備的逐時(shí)使用，以及宿舍樓中間層兩個(gè)南向房間2013年1月的逐時(shí)室溫等），將上述數(shù)據(jù)（除室溫）以及房間散熱器的設(shè)計(jì)流量和性能參數(shù)代人DeST，在0.5次/h的換氣次數(shù)下模擬計(jì)算得出這兩個(gè)房間逐時(shí)室溫，并將模擬計(jì)算結(jié)果與室溫的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

 由于通風(fēng)換氣次數(shù)的不確定，室溫模擬值與實(shí)測(cè)值存在偏差，但偏差的程度并不明顯，而且模擬室溫與實(shí)際室溫在變化趨勢(shì)上基本一致。因此，DeST軟件的供暖系統(tǒng)模塊可應(yīng)用到本文氣候補(bǔ)償器供暖效果分析的模擬研究中。

3  模擬結(jié)果分析

 對(duì)式(1)和圖3所描述2種不同氣候補(bǔ)償模式的應(yīng)用效果開展模擬分析。式(1)表示的是控制室溫恒定的靜態(tài)補(bǔ)償模式，圖3則是室溫控制非恒定的非靜態(tài)補(bǔ)償模式。

按照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)室溫T。取18℃，北京地區(qū)室外計(jì)算溫度T。取-7.6℃，設(shè)計(jì)供水溫度T。取75℃，設(shè)計(jì)回水溫度T’。取50℃。散熱器為鑄鐵四柱-660型，散熱器性能系數(shù)6取值0.16。將上述數(shù)值帶人式(1)和式(2)，可計(jì)算出靜態(tài)補(bǔ)償模式下的供水溫度曲線，如式(3)所示。

另一方面，根據(jù)宿舍樓內(nèi)學(xué)生的生活作息規(guī)律，對(duì)一天的不同時(shí)間段分別設(shè)定不同室溫，再依據(jù)圖3的數(shù)據(jù)選擇所對(duì)應(yīng)的水溫調(diào)節(jié)曲線（如表3所示），由此建立非靜態(tài)的氣候補(bǔ)償模式。

在DeST典型氣象年的逐時(shí)室外溫度下，對(duì)應(yīng)于靜態(tài)補(bǔ)償模式和非靜態(tài)補(bǔ)償模式的供暖季的逐時(shí)供水溫度如圖7所示。

 圖7直觀反映出氣候補(bǔ)償器靜態(tài)模式和非靜態(tài)模式所要求供水溫度的明顯差異。靜態(tài)補(bǔ)償模式所要求供水溫度的變化范圍大，最高為87℃，平均值達(dá)到60℃；相比較，非靜態(tài)補(bǔ)償模式的供水溫度相對(duì)平穩(wěn)且溫度水平較低，最高僅63℃，平均值只有50℃。

進(jìn)一步，在上述2種不同的供水溫度模式下，對(duì)本研究的學(xué)生宿舍樓，分別逐時(shí)模擬建筑各房間供暖季的室溫變化，進(jìn)而計(jì)算得出整個(gè)樓供暖季的日平均室溫，以此分析比較氣候補(bǔ)償器靜態(tài)和非靜態(tài)補(bǔ)償模式對(duì)建筑室溫的影響，具體如圖8和圖9所示。

 計(jì)算結(jié)果表明，靜態(tài)補(bǔ)償模式下的建筑日平均室溫范圍為19.6~24.3℃，高于18℃的設(shè)定室溫。因此，建筑存在過量供熱的現(xiàn)象。非靜態(tài)補(bǔ)償模式下，建筑的室溫并未呈現(xiàn)對(duì)不同時(shí)段所設(shè)定的溫度狀況，部分時(shí)期建筑全天的平均室溫甚至低于18℃，但建筑的平均室溫為20.2℃，于是，過量供熱的現(xiàn)象在非靜態(tài)補(bǔ)償模式下依然存在。

對(duì)于靜態(tài)和非靜態(tài)的兩種氣候補(bǔ)償模式，進(jìn)一步計(jì)算不同調(diào)節(jié)模式下的建筑耗熱量，并以建筑室溫恒定為18℃的耗熱量為基準(zhǔn)，以此分析比較不同氣候補(bǔ)償模式對(duì)建筑的過量供熱狀況，如圖10所示。

 由于建筑平均室溫超過18℃，氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)模式下的建筑耗熱量勢(shì)必高于室溫恒定18℃的相應(yīng)值。圖10的計(jì)算結(jié)果給出了定量的說明。靜態(tài)補(bǔ)償模式下建筑耗熱量為室溫恒定18℃的5倍，非靜態(tài)補(bǔ)償模式所對(duì)應(yīng)的倍數(shù)比值為3.8。于是，靜態(tài)補(bǔ)償模式對(duì)建筑過量供熱的程度大于非靜態(tài)補(bǔ)償模式。

 分析表明，對(duì)于氣候補(bǔ)償器靜態(tài)和非靜態(tài)兩種補(bǔ)償模式，通過對(duì)供水溫度的調(diào)節(jié)還不能真正解決熱量供需不平衡的問題，過量供熱的現(xiàn)象仍然很明顯。以上的分析計(jì)算都是在末端散熱器設(shè)計(jì)流量下進(jìn)行的，在此情況下，當(dāng)供水溫度高于實(shí)際需求時(shí)，通過溫控閥調(diào)節(jié)降低水流量確實(shí)能保證設(shè)定的室溫需求，但這是將較高溫度的熱水以低流量的方式向室內(nèi)散熱，會(huì)相應(yīng)降低對(duì)高效熱源（熱泵、工業(yè)余熱等）的利用潛力。因此，對(duì)氣候補(bǔ)償器應(yīng)首先著眼于供水溫度的調(diào)節(jié)。

4  問題分析

 以下從氣候補(bǔ)償器的基本工作原理著手，研究分析靜態(tài)和非靜態(tài)氣候補(bǔ)償模式所產(chǎn)生過量供熱和冷熱不均現(xiàn)象的原因。

 氣候補(bǔ)償模型基于熱源端供給熱量與用戶端需求熱量的相互平衡而建立，但對(duì)用戶端需求熱量的計(jì)算采用的是僅考慮外溫作用的穩(wěn)態(tài)算法，而沒有考慮太陽(yáng)輻射以及房間內(nèi)人員、照明、設(shè)備等擾量的作用，這兩部分熱量都與室內(nèi)外溫差狀況無關(guān)，并且都有利于房間冬季的室內(nèi)熱環(huán)境。因此，對(duì)太陽(yáng)輻射和室內(nèi)熱擾這兩部分得熱量的忽略將會(huì)導(dǎo)致對(duì)末端用戶實(shí)際熱需求反映的偏差，由此所確定的供水溫度則將無法保證熱量供給與需求的相互平衡，最終產(chǎn)生過量供熱的現(xiàn)象。

將系統(tǒng)供熱作為一種擾量，該擾量與室內(nèi)得熱以及太陽(yáng)輻射的影響和作用都具體體現(xiàn)在房間室溫的變化上。因此，可通過房間溫度變化狀況的對(duì)比反映出各個(gè)擾量的作用程度。為直觀反映出問題的本質(zhì)，首先選擇中間層北向某個(gè)房間，對(duì)于存在人員、照明、設(shè)備等室內(nèi)熱擾與不存在室內(nèi)熱擾的兩種情況，圖11表示出氣候補(bǔ)償器靜態(tài)補(bǔ)償模式下房間供暖季日平均室溫的變化。進(jìn)一步，對(duì)于太陽(yáng)輻射得熱狀況不同的中間層南向和北向房間，在其他熱擾因素相同的情況下，圖12表示出這2個(gè)房間供暖季日平均室溫的變化。

 由圖11可發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)熱擾存在與不存在時(shí)房間日平均溫度的差值基本一致，為2.1℃，這主要是由于居住者作息及其對(duì)燈光、設(shè)備的使用呈現(xiàn)日周期變化規(guī)律所導(dǎo)致。上述2種情況下房間供暖季的平均室溫分別為22.5℃和20.4℃。這反過來也可說明，在隨外溫變化調(diào)節(jié)管網(wǎng)供水溫度的同時(shí)，若能同時(shí)考慮室內(nèi)熱擾的影響，則有可能將室內(nèi)溫度控制在20℃。再考慮氣候補(bǔ)償模式改進(jìn)對(duì)降低鄰室過量供熱的影響，房間供暖季平均室溫可進(jìn)一步降低，從而接近設(shè)定室溫18℃的要求。

圖12反映出太陽(yáng)輻射對(duì)房間室溫的影響。南向和北向房間室溫除日平均室溫存在差距外，南向房間的日平均室溫波動(dòng)明顯大于北向房間。至于某幾天內(nèi)南向房間室溫低于北向房間，其原因在于此段時(shí)間內(nèi)的太陽(yáng)日平均直射輻射強(qiáng)度較低，部分兩天的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度甚至為0，如圖13所示。又由于南向房間設(shè)計(jì)負(fù)荷相對(duì)于北向房間的偏低，使得南向房間散熱器的設(shè)計(jì)片數(shù)要少于北向房間。因此，在太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度較低的情況下，出現(xiàn)了南向房間室溫低于北向房間室溫的情況。

 上述2種情況計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比反映出室內(nèi)熱擾和太陽(yáng)輻射對(duì)房間室溫的影響，也從另一個(gè)角度說明了通過氣候補(bǔ)償器調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水溫度時(shí)，不僅要對(duì)外溫的變化進(jìn)行補(bǔ)償，而且還應(yīng)對(duì)室內(nèi)熱擾、太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的影響進(jìn)行修正。

仍以中間層北向房間為對(duì)象，分析對(duì)比靜態(tài)和非靜態(tài)氣候補(bǔ)償模式對(duì)室溫影響狀況的差異。如圖14所示，在沒有太陽(yáng)直射輻射的情況下，除了供暖初寒和末寒期的幾天時(shí)間內(nèi)，靜態(tài)補(bǔ)償模式下的房間日平均室溫變對(duì)平穩(wěn)，基本維持在22.5℃左右；與之相對(duì)照，非靜態(tài)補(bǔ)償模式下房間日平均室溫的波動(dòng)較大，遠(yuǎn)沒有滿足對(duì)房間室溫分時(shí)段不同設(shè)定的需求。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱慣性的作用，當(dāng)要求室溫產(chǎn)生階躍變化，即由一個(gè)設(shè)定值升高或降低到另一個(gè)設(shè)定值時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱或放熱會(huì)對(duì)室內(nèi)熱狀況產(chǎn)生影響。因此，不同于靜態(tài)補(bǔ)償模式室溫恒定的情況，采用非靜態(tài)補(bǔ)償模式調(diào)節(jié)供水溫度時(shí)，還應(yīng)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱和放熱特性對(duì)室內(nèi)熱狀況的影響，否則同樣產(chǎn)生熱量供給與需求不一致的問題。

5  結(jié)論

 通過氣候補(bǔ)償器采取供水溫度隨室外氣象條件變化的調(diào)節(jié)模式，有助于改善建筑室內(nèi)熱狀況，但由于調(diào)節(jié)模型對(duì)建筑熱過程的不完整描述，氣候補(bǔ)償器仍會(huì)導(dǎo)致過量供熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而造成不必要的能源消耗。

 模擬分析的結(jié)果表明，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)供水溫度的調(diào)節(jié)，不僅要對(duì)外溫的變化進(jìn)行補(bǔ)償，而且還應(yīng)對(duì)室內(nèi)熱擾、太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的影響進(jìn)行修正，同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱和放熱對(duì)室內(nèi)熱狀況的影響，從而保證熱源端熱量供給與用戶熱量需求的相一致。

 本文工作對(duì)后續(xù)供水溫度調(diào)節(jié)模型的優(yōu)化研究以及建筑節(jié)能工作的有效開展有重要參考作用。