基于等效溫度的供熱負荷控制方式

文｜中國汽車工業工程公司自控工程院 張成禮 劉麗萍 韓 俊

隨著社會的發展，人們對溫度環境舒適性的要求越來越高；同時，隨著世界能源供應的日趨緊張，各國對節能工作也越來越重視。目前，供熱失調現象是供熱系統中普遍存在的問題，恰當地控制供熱負荷，獲得舒適節能的效果是供熱控制追求的目標之一。

1 傳統供熱負荷控制方式

目前，國內供熱負荷控制方式主要有“經驗型”手動控制方式、基于室外溫度的自動控制方式兩種。

（1）“經驗型”手動控制方式

這種控制方式是由操作人員根據經驗手動控制供熱量，受操作人員的經驗水平和主觀因素的影響，容易造成供熱過剩或不足，造成室內溫度不穩定。

（2）基于室外溫度的自動控制方式

這種控制方式是由供熱控制系統根據室外溫度傳感器實時采集的室外溫度來自動控制供熱量。這種控制方式與手動控制方式相比，供熱量的準確性和室內溫度的穩定性有了很大提高。但是，這種控制方式僅考慮了室外溫度因素，沒有考慮風速、風向、太陽輻射等天氣因素，是不全面的。同時，根據實時室外溫度進行控制也有一定的滯后性。

2 基于等效溫度的供熱負荷自動控制方式

針對基于室外溫度的自動控制方式的不足，瑞典氣象和水文研究所的Roger Taesler教授提出了等效溫度的理論。等效溫度是綜合考慮建筑物的結構因素、環境因素、功能因素、天氣因素等，對室外溫度校正后的溫度。基于等效溫度的自動控制系統使用天氣預測接收器代替室外溫度傳感器，根據程序計算出的等效溫度來控制供熱量。

（1）熱能平衡的概念

為了保證室內溫度的穩定，建筑物獲得的熱能應與建筑物損失的熱能相平衡。建筑物獲得的熱能包括供熱系統提供的熱能、受太陽輻射獲得的熱能、設備和人員產生的熱量。建筑物損失的熱能包括通過建筑物外部結構熱傳導損失的熱能、因自然通風和機械通風損失的熱能。建筑物熱能平衡公式如下：

其中QN為供熱系統提供的熱量，QC為通過墻壁、窗戶和屋頂熱傳導損失的熱量，QF為機械通風損失的熱量，QI為通過縫隙、窗戶、門的自然通風損失的熱量，QG為通過地面熱傳導損失的熱量，QEP為設備和人員產生的熱量，QS為受太陽輻射獲得的熱量。

（2）等效溫度的概念

供熱系統提供的熱量與等效溫度之間的關系如下：

其中QN為供熱系統提供的瞬時熱量，單位為W/m2；Ti、TET分別為室內目標溫度和等效溫度，單位為℃；K為系數，單位為W/m2℃。

（3）熱傳導的熱損失QC

通過墻壁、窗戶和屋頂傳導損失的熱量，按照下式計算：

其中Ti、To分別為室內溫度和室外溫度，單位為℃；Uc為熱傳導系數，單位為W/m2℃，其大小與建筑物結構及風向、風速有關。

（4）機械通風的熱損失QF

因機械通風產生的熱損失，按照下式計算：

其中η為熱交換效率；N為每小時換氣次數；V為通風量，單位為m3；ρ為空氣密度，單位為kg/m3；Cp為比熱，單位為J/kg℃；Ti、To分別為室內溫度和室外溫度，單位為℃。

（5）自然通風的熱損失QI

通過縫隙、窗戶、門的自然通風損失的熱量，按照下式計算：

其中ΔP為室內外壓差，單位為Pa，其大小與建筑物結構、外部環境、風速、風向有關；ρ為空氣密度，單位為kg/m3；Cp為比熱，單位為J/kg℃；f（ΔP）為室內和室外壓差的函數。

其中A為縫隙的有效面積，單位為m2；C為流量系數，其大小由縫隙類型和縫隙氣流決定，單位為m3/SPanm2；n為壓力系數，取值為0.4～1，典型值為0.65。

（6）地面熱傳導的熱損失QG

通過地面熱傳導損失的熱量，按照下式計算：

其中UG為熱傳導系數，單位為W/m℃；A為地面面積，單位為m2；Ti、Tgr分別為室內溫度和地面溫度，單位為℃。

（7）設備和人員產生的熱量QEP

建筑物內的設備運行時會產生一定的熱量，熱量大小與設備數量、設備類型、設備功率有關。

建筑物內的工作人員也會產生一定的熱量，熱量大小與人員數量、活動水平、穿著衣物有關。

（8）受太陽照射獲得的熱量QS

受太陽照射獲得的熱量除了與天氣、建筑物結構有關外，還與太陽光照射的方向有關。太陽光照射的方向是由建筑物所處的緯度（φ ）、太陽時角（ω）、太陽偏角三個因素決定的。2

3 等效溫度計算軟件

eGain軟件是瑞典eGain International AB公司開發的，用于計算建筑物等效溫度的商品軟件。使用該軟件需要輸入以下參數：

◆ 氣象數據：由天氣預測接收器接收未來24小時內每小時的氣象預測數據，包括空氣溫度、風速、風向、濕度、降水、太陽輻射等；使用氣象預測數據可以提前計算供熱負荷，解決供熱控制的滯后性問題；

◆ 建筑物模型數據：按照eGain軟件的要求，詳細輸入建筑物的平面和立面參數，建立建筑物三維模型；

◆ 建筑物環境數據：輸入目標建筑物周圍的其他建筑物的情況，建立建筑物的環境模型；

◆ 建筑物位置數據：建筑物的緯度、經度（λ）；

◆ 建筑物圍護結構數據：主要指建筑物圍護結構的厚度、導熱系數、密度、蓄熱系數、比熱容等；

◆ 建筑物內部的設備和人員數據；

◆ 室內舒適環境條件的設定：主要指室內溫度和換氣次數。

eGain軟件主要在歐洲國家得到了推廣和應用，截止到2010年，共有將近7×106m2的住宅樓及商業樓宇安裝使用了這一系統。

與基于室外溫度的自動控制方式相比，采用基于等效溫度的自動控制方式需要增加的投資主要包括氣象數據的投資和等效溫度計算軟件的投資。氣象數據的獲取有兩種方案：自建氣象站或通過網絡連接到氣象部門，購買氣象部門的氣象數據。

統計數據顯示，采用基于等效溫度的自動控制方式避免了供熱過剩或不足，提高了室內溫度的穩定性，提高了環境舒適度，同時可以節約能源10%左右（每年節約熱能約15kWh/m2）。

正在沈陽鐵西建設中的寶馬工廠將采用這一供熱負荷控制方式。