室外溫度負(fù)荷計(jì)算分析論文

1、室外溫度負(fù)荷計(jì)算分析論文摘要：確定合理的室外計(jì)算溫度，是冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是長(zhǎng)期以來(lái)未能得到合理解決的問(wèn)題之一。眾所周知，室外氣象時(shí)刻變化著，如果選取最不利的氣象條件(最冷天)去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，那么，一方面由于設(shè)備負(fù)荷計(jì)算偏大，造成散熱器、供回水管道及鍋爐等設(shè)備偏大；另一方面由于設(shè)備常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，效率很低。反之，如果選取暖和日子的氣象條件去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，可能滿足不了設(shè)計(jì)要求的室溫。多年來(lái)，不少學(xué)者曾對(duì)室外計(jì)算溫度的合理選取進(jìn)行過(guò)研究。近年來(lái)由于節(jié)能的要求，這個(gè)問(wèn)題更受到人們的重視，同是由于建筑熱過(guò)程理論的發(fā)展，對(duì)它也進(jìn)一步提供了科學(xué)依據(jù)。各國(guó)在編制有關(guān)規(guī)范和法規(guī)時(shí)，

2、對(duì)室外計(jì)算溫度了有專門條文，并不斷采納新的研究成果，及時(shí)修改有關(guān)內(nèi)容，并使之便合理。 關(guān)鍵詞：冬季供暖負(fù)荷計(jì)算室外計(jì)算溫度 1引言 確定合理的室外計(jì)算溫度，是冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是長(zhǎng)期以來(lái)未能得到合理解決的問(wèn)題之一。眾所周知，室外氣象時(shí)刻變化著，如果選取最不利的氣象條件(最冷天)去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，那么，一方面由于設(shè)備負(fù)荷計(jì)算偏大，造成散熱器、供回水管道及鍋爐等設(shè)備偏大；另一方面由于設(shè)備常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，效率很低。反之，如果選取暖和日子的氣象條件去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，可能滿足不了設(shè)計(jì)要求的室溫。多年來(lái)，不少學(xué)者曾對(duì)室外計(jì)算溫度的合理選取進(jìn)行過(guò)研究。近年來(lái)由于節(jié)能的要求，這個(gè)問(wèn)題更

3、受到人們的重視，同是由于建筑熱過(guò)程理論的發(fā)展，對(duì)它也進(jìn)一步提供了科學(xué)依據(jù)。各國(guó)在編制有關(guān)規(guī)范和法規(guī)時(shí)，對(duì)室外計(jì)算溫度了有專門條文，并不斷采納新的研究成果，及時(shí)修改有關(guān)內(nèi)容，并使之便合理。 蘇聯(lián)在40年代是采用查普林教授提出的公式來(lái)確定供暖室外計(jì)算溫度w，即： w=0.4p1+0.6min(1) 式中，p1為當(dāng)?shù)貧v年最冷月平均氣溫的平均值，min為當(dāng)?shù)卦霈F(xiàn)過(guò)的小時(shí)氣溫的最小值。 美國(guó)的ASHRAE手冊(cè)，1949年推薦采用當(dāng)?shù)貧v年氣溫記錄中12月、1月、2月全部小時(shí)數(shù)據(jù)中相應(yīng)保證率為97.5%的氣溫作為當(dāng)?shù)氐墓┡彝庥?jì)算溫度。后來(lái)由于重視了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性，1959年把原來(lái)按冬季各小時(shí)氣溫的百

4、分率統(tǒng)計(jì)法，改為按冬季均氣溫的百分率統(tǒng)計(jì)法，并且建議供暖室外計(jì)算溫度的確定應(yīng)隨室內(nèi)氣溫允許的波動(dòng)幅度而不同。1975年ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90-75在新建筑物設(shè)計(jì)節(jié)能中規(guī)定，供暖設(shè)計(jì)應(yīng)選取滿足當(dāng)?shù)?7.5%氣溫需要的溫度作為室外計(jì)算溫度。同時(shí)指出，如果房屋是輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又有大面積玻璃，且室溫控制要求很高時(shí)，應(yīng)采用最低溫度平均值或滿足99%氣溫需要的溫度作為室外計(jì)算溫度。 英國(guó)IHV摜根據(jù)允許的極端概率，給出英國(guó)及其它國(guó)家在各種條件下的室外計(jì)算溫度，它們考慮了建筑物的體積及其熱惰性，也考慮了供暖設(shè)備超負(fù)荷容量的臨界系數(shù)。 我國(guó)70年代以前沿用蘇聯(lián)的作法，后來(lái)采用類似美國(guó)的保證率統(tǒng)計(jì)法。GBJ19-

5、87不保證率來(lái)確定室外計(jì)算溫度，這種作法以實(shí)際30年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，得到日平均不保證時(shí)間為五天的溫度值，作為室外計(jì)算溫度。以北京地區(qū)為例，日平均溫度不保證五天相當(dāng)于外溫不保證率為5/126=4%，這時(shí)北京地區(qū)的室外計(jì)算溫度為-9。這種作法雖然考慮了外溫的隨機(jī)波動(dòng)特征，比直接采用最不利外溫加權(quán)值前進(jìn)了一大步，但是還存在一些不合理的地方： 供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷不僅與外溫有關(guān)，而且與太陽(yáng)輻射及風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)，這些氣象參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)變化著，且相互之間存在相關(guān)關(guān)系。因此很難用統(tǒng)計(jì)的方法確定多因素的不保證率下的室外計(jì)算溫度。 外溫不保證率與室溫不保證率是本質(zhì)不同的兩個(gè)概念。由于建筑物的熱特性，外溫經(jīng)

6、衰減、時(shí)間延遲才進(jìn)入室內(nèi)，造成室溫的變化。因此合理的設(shè)計(jì)依據(jù)是室溫不保證率，而不是外溫不保證率。 建筑物的熱特性并不等同于單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性。JGJ24-86民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程（試行）規(guī)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冬季室外計(jì)算溫度應(yīng)根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)D來(lái)確定，D值越小，室外計(jì)算溫度選得越低。實(shí)際上，建筑物的熱惰性學(xué)在很大程度上取決于它的外窗墻比，僅由外墻的D值并不能全面反映建筑物的熱惰性。 室外氣象參數(shù)的隨機(jī)性造成室溫是隨機(jī)過(guò)程，在給定設(shè)計(jì)要求室溫下，室溫不保證率是隨機(jī)變量，它服從一定的概率分布，因此應(yīng)從概率意義上去理解室溫不保證率。 本文試圖采用隨機(jī)分析的方法，根據(jù)隨機(jī)氣象模型和狀態(tài)空間建筑模型，

7、直接求解自然室外溫隨機(jī)過(guò)程，得到冬季供暖期的自然室溫的概率分布，從而求得室外綜合計(jì)算溫度。前者充分考慮室外氣象的隨機(jī)性與建筑物熱特性的綜合作用，是根據(jù)室溫不保證率的概率分布求得的。以它為依據(jù)，用穩(wěn)態(tài)傳熱法計(jì)算供暖負(fù)荷，就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的室溫不保證率及其概率信度。 2室外綜合計(jì)算溫度求解過(guò)程 供暖期的室溫a（t）可看成自然室溫（t）與供暖溫升h（t）之各，即 a（t）=（t）+h（t）（2） 其中，自然室溫（t）是指建筑物在無(wú)供暖設(shè)備情況下的室溫，供暖溫升h（t）指供暖造成的室溫的升高值。 室外氣象隨機(jī)過(guò)程可分解為確定（期望）過(guò)程與零均值的隨機(jī)過(guò)程之和，它們作用在建筑物上，造成自然室溫（t）也可

8、分解為確定室溫d（t）與零均值隨機(jī)室溫s（t）之和，即 （t）=d（t）+s（t）（3） 房間進(jìn)行供暖，就是向房間提供熱量，使確定室溫d（t）提高。當(dāng)供暖系統(tǒng)向室內(nèi)投入的熱量為Q時(shí)，按穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算，室溫將升高的幅度h為 （4） 式中，Ki和Fi分別表示第i個(gè)外圍護(hù)體的傳熱系數(shù)及傳熱面積，和Cp分別為空氣的密度和定壓比熱，n和V分別為房間的換氣次數(shù)和空氣容積。 如果供暖系統(tǒng)向房間的最大供熱量為Qmax，則室溫可以升高的最大值Qh,max為 (5) 于是，即使供暖系統(tǒng)投入最大負(fù)荷，房間溫度仍低于室溫設(shè)計(jì)值r的時(shí)間與房間自然室溫（t）低于給定值o的時(shí)間相同。 o=r-h,max（6） 因此，房間自然

9、室溫（t）低于0的時(shí)間的概率就是房間供暖時(shí)室溫a（t）低于r的時(shí)間所占供暖季時(shí)間的百分比，也就是房間按照熱量Qmax供暖時(shí)室溫a（t）低于設(shè)計(jì)溫度r的時(shí)間所占供暖季時(shí)間的百分比，或稱為室溫不保證率tc見(jiàn)（圖1）。反之，當(dāng)給定一定概率信度下的室溫不保證率時(shí)，就可以根據(jù)室外氣象參數(shù)和建筑物熱特性，求得0，從而供暖系統(tǒng)就可以0作為室外計(jì)算溫度來(lái)求出供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷Qmax， （7） 圖1室溫不保證率 因此，將0稱作在一定概率信度和一定室溫不保證率下的供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度。同于它是由房間的自然室溫的不保證率及概率信度決定的，因此，它與房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性、外溫和太陽(yáng)輻射的隨機(jī)性及室溫不保證

10、率的取值有關(guān)，而與供暖系統(tǒng)無(wú)關(guān)。 自然室溫低于室外綜合計(jì)算溫度0的時(shí)間與冬季時(shí)間（t2-t1）之經(jīng)tC可具體寫為 （8） 式中，ti表示自然室溫（t）低于0的時(shí)間段，見(jiàn)圖1所示。 采用單位階躍函數(shù)g(x)，其定義為 （9） 因此tC可改為 （10） 它也是以0作為供暖系統(tǒng)室外綜合計(jì)算溫度時(shí)，室溫的不保證率。由于自然室溫（t）是隨機(jī)過(guò)程，tC是隨機(jī)變量，其概率分布與0和t1，t2有關(guān)。以北京地區(qū)為例，冬季室外氣溫和太陽(yáng)輻射可看成正態(tài)過(guò)程，于是自然室溫（t）也是正態(tài)過(guò)程，因此tC近似服從正態(tài)分布，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最后給出： tC的期望 （11） 式中，F(xiàn)（x）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，（t）為自然室溫（t）

11、的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 tC的方差 （12） 式中，r12表示自然室溫（1）與（2）的相關(guān)系數(shù)，1和2和分別表示（1）與（2）的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 3算例與分析 以北京地區(qū)的氣象條件和一個(gè)房間為例，采用隨機(jī)分析的方法，求得冬季自然室溫在不同室外綜合計(jì)算溫度下的不保證率的概率分布。選用的房間特征如下： 內(nèi)部尺寸（m）為444，中間層 南墻面積12m2，南窗面積4m2（對(duì)應(yīng)南窗墻比為25%），北墻和南墻為外墻，東墻、西墻、樓板和地板為內(nèi)墻；外墻為370mm磚墻內(nèi)外抹灰10mm，內(nèi)墻為240mm磚墻內(nèi)外抹灰10mm；只有一個(gè)單層窗戶（南窗）；外墻外窗無(wú)遮陽(yáng) 換氣次數(shù)為1h1 不考慮室內(nèi)自由得熱和家俱的影響 該房間與其

12、上、下、左、右四個(gè)房間具有相同的熱邊界條件 圖2給出該房間在室外綜合計(jì)算溫度分別為-5、-4、-3和-2時(shí)自然室溫不保證率的概率分布。從圖2可得如下幾點(diǎn)結(jié)論： 圖2室溫不保證率的概率分布(換氣1h1,南窗墻比25%)圖3室溫不保證率的概率分布(換氣0.5h1,南窗墻比25%) 不管自然室溫不保證率及其概率如保，室外綜合計(jì)算溫度幾乎不可能低于-5（圖2給出，近似100%的概率信度下，自然室溫低于-5的時(shí)間不超過(guò)0.3%）。 如果以95%的概率保證自然室溫不保證率不超過(guò)5%，那么，室外綜合計(jì)算溫度為-2；換言之，在未來(lái)的100年里，自然室溫低于-2的進(jìn)間超過(guò)5%的冬季時(shí)間的年頭只有5個(gè)。 在相同概

13、率0.9下，如果要求自然室溫不保證率不超過(guò)0.1%、0.6%、0.9%和4.2%，那么，室外綜合計(jì)算溫度分別為-5、-4、-3和-2。 如果以概率0.65、0.90和0.99保證自然室溫不保證率不超過(guò)1%，那么，室外綜合計(jì)算溫度分別為-3、3.5和-4。 可見(jiàn)，根據(jù)給定的概率和自然室溫不保證率，由圖2可查出相應(yīng)的室外綜合計(jì)算溫度；相同概率下，要求自然室溫不保證率越小，那么，室外綜合計(jì)算溫度越低；相同的自然室溫不保證率下，概率信度要求越大，那么，室外綜合計(jì)算溫度越低。 圖3給出房間換氣次數(shù)為0.5h1的情況，圖4給出房間南窗墻比為50%的情況，圖5給出房間北窗墻經(jīng)為50%的情況。這3幅圖同樣可以

14、從概率意義上去理解室外綜合計(jì)算溫度，同時(shí)還可看出換氣次數(shù)、南窗墻比和外窗朝向?qū)κ彝饩C合計(jì)算溫度的影響。在以概率0.9保證自然室溫不保證率不超過(guò)1%的情況下，圖2、3、4、5給出的室外綜合計(jì)算溫度分別為-3.5、-2、-1和-5，可見(jiàn)，換氣次數(shù)由1h1降為0.5h1時(shí)，室外綜合計(jì)算溫度升高1.5；南窗墻比由25%升高為50%時(shí)，室外綜合計(jì)算溫度升高2.5；外窗由朝南改為朝北時(shí)，室外綜合計(jì)算溫度降低4。 4結(jié)論 隨機(jī)分析的方法從本質(zhì)上提示了室外氣象參數(shù)的隨機(jī)性與室溫的隨機(jī)性之間的內(nèi)在聯(lián)系，真正從概率的角度去確定室外綜合計(jì)算溫度，因此，它是確定冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷用室外綜合計(jì)算溫度的科學(xué)方法。 室外綜合計(jì)算溫度0與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性、室外氣象參數(shù)特性和要求的室溫不保證率及其概率信度有關(guān)。因此，嚴(yán)格地講，0要根據(jù)具體的房間轉(zhuǎn)護(hù)結(jié)構(gòu)熱特性和氣象參數(shù)的隨機(jī)性，通過(guò)比較復(fù)雜的計(jì)算才能得到。已經(jīng)研究出的隨機(jī)氣象模型1可提供計(jì)算0的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，已開(kāi)發(fā)的STOAN軟件可以根據(jù)具體的建筑物計(jì)算出如圖2、3、4、5那種形式的各種室溫不保證率和概率信度下的室外綜合計(jì)算溫度。進(jìn)一步的工作是將全國(guó)按氣候特點(diǎn)分區(qū)，分別給出其隨機(jī)氣象模