建筑物室內(nèi)用熱計算機(jī)監(jiān)測評估系統(tǒng)

柏 松 ，黃 瑞 ，盧子斌 ，常雪梅 ，明 鑫

（1.天津市城安熱電有限公司，天津 300201；2.天津津能易安泰科技有限公司，天津 300384；3.天津能源投資集團(tuán)技術(shù)中心，天津 300384）

建筑用熱分析是確定合理的節(jié)能策略的基礎(chǔ)，是節(jié)能降耗工作的熱點[1]。目前全國北方大部分城市都在大力推廣供熱的計量收費，計量收費如何定價，怎樣在保證供熱企業(yè)正常運營的前提下為終端用戶降低供熱費用，降低供熱企業(yè)供熱成本，增加企業(yè)競爭力，這都依賴于供熱系統(tǒng)熱利用率的提高，根本解決方法就是對終端用戶的用熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測量和統(tǒng)計出各個環(huán)節(jié)的能耗，減少不必要的熱損，平衡供熱峰值，讓熱能得到充分的利用，最大限度地降低用熱成本。所以有必要對終端熱用戶進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與節(jié)能管理。

1 系統(tǒng)方案

1.1 方案論述

項目的主要內(nèi)容是通過熱量表、室內(nèi)溫度傳感器等設(shè)備采集終端熱用戶供熱信息，分析其戶型、面積、朝向、建筑節(jié)能等級、室外溫度、地理位置、層數(shù)等因素與戶用熱量之間的關(guān)系，分析用戶熱量數(shù)據(jù)是否正常。根據(jù)溫度測點在測量空間內(nèi)的不規(guī)則布置，采用插值算法獲取空間內(nèi)各點的溫度分布值，評測建筑物內(nèi)每個位置的溫度與供暖裝置的位置關(guān)系，調(diào)整供熱設(shè)施的安裝位置；根據(jù)各個熱用戶的房屋建筑特點，計算建筑采暖熱負(fù)荷指標(biāo)；根據(jù)室內(nèi)外的實時數(shù)據(jù)調(diào)整供熱控制閥，調(diào)整供熱量，使熱用戶室內(nèi)溫度達(dá)到均勻、舒適的狀態(tài)。

1.2 方案算法

1.2.1 溫度場高斯權(quán)重插值法

在比較了距離權(quán)重法，樣條插值法等差值算法后，本文決定采用具有訂正方案的高斯權(quán)重插值法計算空間內(nèi)的溫度場。具體訂正方案的高斯權(quán)重插值法簡介[4]如下：

首先將待分析空間劃分網(wǎng)格，并通過設(shè)定半徑內(nèi)測點的溫度值計算分析區(qū)網(wǎng)格上的溫度值。

設(shè) F0（i， j）為分析區(qū)內(nèi)網(wǎng)格點的要素值，（i， j）為各點行列序號，F(xiàn)（k）為測點實測值，k為測點序號，則插值公式為

式中：ri，j，k為格點（i， j）到 k 測點之間的距離；K 為分析區(qū)和影響區(qū)半徑內(nèi)的測點總數(shù)；a為常數(shù)。

為了得到與實際值更加接近的計算值，要通過插值網(wǎng)點上的插出值反算測點處的溫度估計值并確定插值誤差。設(shè)F0（k）為用網(wǎng)格點上的插出值F0（i， j）反算出來的測點要素估計值，則用式（3）確定插值誤差 FD（k）：

式中：m，n為待分析區(qū)插值網(wǎng)絡(luò)上的各點序號。設(shè)格點上修正的要素為 FD（i， j），則：

式中：s為小于1的正數(shù)，影響計算值向?qū)嶋H值收斂的速度。

最后，通過測點處的差值誤差計算分析區(qū)網(wǎng)格上的溫度值插值誤差并訂正網(wǎng)格上的溫度值，就可以得到測量空間內(nèi)相對準(zhǔn)確的溫度場。

插值結(jié)果利用LabVIEW中的三維高線圖進(jìn)行顯示，視角選擇XY正交方向，顏色梯度自適應(yīng)于溫度極值的變化。將各層溫度場數(shù)據(jù)和樓層坐標(biāo)z送入三維曲面圖控件進(jìn)行顯示，可以得到三維溫度場圖。根據(jù)溫度場圖，合理布局供暖設(shè)備的安裝位置。

1.2.2 采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)計算

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012規(guī)定，采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)q（W/m2）是在采暖室外計算溫度條件下，為保持室內(nèi)計算溫度，單位建筑面積在單位時間內(nèi)需由鍋爐房向其它供熱設(shè)施供給的熱量。采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)q計算公式為

式中：Q為冬季采暖通風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷（W），Q值應(yīng)根據(jù)建筑物下列散失的、獲得的熱量確定；Ao為建筑面積（m2）。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量包括基本耗熱量和附加耗熱量，且基本耗熱量計算公式為

式中：Qi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量（W）；a為溫差修正系數(shù)；F為計算傳熱面積（m2）；K為傳熱系數(shù)（W/（m2·℃））；tn為冬季室內(nèi)計算溫度（℃）；twm為采暖室外計算溫度（℃）。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加耗熱量包括朝向附加、風(fēng)力附加、外門附加和高度附加，各項附加應(yīng)按其占基本耗熱量的百分比確定：

式中：Q1、Qi、 βch、 βf、 βlang、 βfg分別表示考慮各項附加后，某圍護(hù)的耗熱量、圍護(hù)的基本耗熱量、朝向修正、風(fēng)力修正、兩面外墻修正、房高附加。

加熱由門窗隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量，新設(shè)計規(guī)范中的計算公式為

式中：Q2為由門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量（W）；cp為干空氣的定壓質(zhì)量比熱容，等于1.0056 kJ/（kg·℃）；ρwn為采暖室外計算溫度下的空氣密度（kg/m3）；V 為滲透冷空氣量（m3/h）；tn為冬季室內(nèi)計算溫度（℃）；twn為采暖室外計算溫度（℃）。

V計算公式為

式中：L0為在基準(zhǔn)高度單純風(fēng)壓作用下，不考慮朝向修正和內(nèi)部隔斷的情況時，每米門窗縫隙的理論滲透冷空氣量（m3/（m·h））；l為門窗縫隙的計算長度（m）；m為冷風(fēng)滲透壓差綜合修正系數(shù)；b為門窗縫滲風(fēng)指數(shù)，b=0.56～0.78。新設(shè)計規(guī)范對公式的形式及有關(guān)參數(shù)的確定上都進(jìn)行了較大的修訂，加熱由門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量的計算將更加合理和精確。

另外熱負(fù)荷還和由門、孔沿及相鄰房間浸入的冷空氣的耗熱量、建筑內(nèi)部設(shè)備得熱、通過其他途徑散失或獲得的熱量相關(guān)，采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)的計算以Q1項和Q2項為主，后三項對室溫的影響通過測量室內(nèi)溫度，調(diào)整供熱調(diào)節(jié)閥的變化量來補(bǔ)償。

1.2.3 動態(tài)調(diào)節(jié)閥控制

在供熱系統(tǒng)中，熱水通過釋放熱量給終端用戶供熱，在一定的時間內(nèi)，其熱量與進(jìn)出水管的溫差、流過熱水的體積成正比，因此通過控制供熱調(diào)節(jié)閥可以實現(xiàn)供熱負(fù)荷指標(biāo)。

熱能表由流量計、溫度傳感器和計算器組成。可以采集供回水溫度、瞬時流量、累積流量、累計熱量等數(shù)據(jù)，根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)可以計算瞬時供熱量：

式中：Q 為釋放的瞬時熱量（W）；c為比熱（kJ/（kg·℃））；ρ為t溫度下的供水密度（kg/m3）；V為供水瞬時流量（m3/h）；t為供水溫度（℃）；t1為回水溫度（℃）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

供熱管路儀表安裝如圖1所示。供水管路安裝供水球閥、過濾器、供熱調(diào)節(jié)閥、熱量表，回水管路安裝回水球閥。熱量表測量數(shù)據(jù)和供熱調(diào)節(jié)閥的開度信息通過M-Bus總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通訊終端，來自服務(wù)器的控制供熱閥的指令通過M-Bus傳達(dá)至供熱調(diào)節(jié)閥。可編程溫度控制器和供熱調(diào)節(jié)閥以無線方式通訊，終端用戶可以在可編程溫度控制器上自主設(shè)置需要的室內(nèi)溫度，該溫度的上下限由供熱管理員設(shè)置，避免終端熱用戶室溫超標(biāo)導(dǎo)致熱量損失。

圖1 供熱管路儀表安裝示意Fig.1 Schematic diagram of heating pipe instrument installation

在終端熱用戶戶內(nèi)布置若干溫度采集器，實時監(jiān)測終端熱用戶室內(nèi)溫度情況，戶外安裝溫度采集器，實時監(jiān)測終端熱用戶室外溫度情況，溫度采集器通過無線方式將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)通訊終端，通訊終端通過GPRS方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下傳輸，數(shù)據(jù)可以傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，也可上傳給上位機(jī)保存到數(shù)據(jù)庫中，上傳到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程終端用戶登陸后可以訪問、查詢和下載等。服務(wù)器依據(jù)收集到的終端信息，計算出終端采暖熱負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)該指標(biāo)和熱用戶的個體需求計算出需要的供水流量，進(jìn)而控制供熱調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)供熱目標(biāo)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware system architecture diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項目利用NI LabVIEW 2013軟件平臺技術(shù)，實時監(jiān)測室溫、熱耗、終端熱用戶需求、供熱調(diào)節(jié)閥開度等數(shù)據(jù)，計算出與面積、方位、室外溫度等參數(shù)相關(guān)的熱負(fù)荷需求，計算該終端用戶在被測時段最合理的供熱指標(biāo)下的精確供熱量，進(jìn)而計算出供熱調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)供熱目標(biāo)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Software system architecture diagram

計算機(jī)軟件平臺具有室內(nèi)溫度采集、熱量遠(yuǎn)程采集、能耗綜合分析、控制節(jié)能等功能，依托云計算型通信終端，運行穩(wěn)定可靠，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高速傳輸，大幅度節(jié)省通訊流量費用；系統(tǒng)可以實時計算出供熱能源單耗情況，為經(jīng)濟(jì)運行提供主要數(shù)據(jù)；系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入、導(dǎo)出及自定義報表功能，可以根據(jù)采集計算的數(shù)據(jù)，計算出供熱調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)控制。溫度采集和溫度設(shè)置如圖4所示，調(diào)節(jié)閥開度設(shè)置如圖5所示，高斯權(quán)重插值程序如圖6所示。

圖4 溫度采集和溫度設(shè)置Fig.4 Temperature acquisition and temperature settings

圖5 調(diào)節(jié)閥開度數(shù)據(jù)采集及設(shè)置Fig.5 Acquisition and settings of regulating valve opening data

圖6 高斯權(quán)重插值程序Fig.6 Gaussian weighted interpolation program diagram

4 系統(tǒng)測試

評估系統(tǒng)對相同氣象環(huán)境下的同一小區(qū)的同一建筑、不同樓層的終端熱用戶，加入供熱控制調(diào)節(jié)裝置前后的用熱量進(jìn)行測量和比較，意在測量出供熱數(shù)據(jù)、加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后室內(nèi)溫度情況、供熱量變化情況，評估出加入計算機(jī)供熱調(diào)節(jié)后供熱效果的改善和節(jié)能的實現(xiàn)效果。

我們選取了2個供熱季室外溫度環(huán)境一致的供熱數(shù)據(jù)做分析對比，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Fig.7 System test data

從室內(nèi)采集的溫度數(shù)據(jù)可以看出，對于室外溫度相同的時間段，加入計算機(jī)供熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定，波動明顯減小，室內(nèi)各個位置溫差減小。從單日用熱量數(shù)據(jù)來看，加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后在保證室內(nèi)溫度基本不變的基礎(chǔ)上，用熱量減少約10%。熱用戶可以根據(jù)個人生活習(xí)慣調(diào)整不同時段的供熱量，使節(jié)能效果更加明顯。

5 結(jié)語

能源是社會發(fā)展的動力，有計劃、有節(jié)制地利用能源是可持續(xù)發(fā)展的重要保證[5]。通過該系統(tǒng)的實施可提高供熱系統(tǒng)自動化控制水平，為供熱系統(tǒng)的可觀可控提供硬件和數(shù)據(jù)支撐；通過該系統(tǒng)的實施可減少熱能消耗，節(jié)省人力和水利資源，大幅度節(jié)能減排，達(dá)到增收節(jié)支的目的。通過測試，該系統(tǒng)部署方便，可以在供熱企業(yè)間推廣，實現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的效果，促進(jìn)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

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[2]Ratko Grbic，Dino Kurtagic，Drazen Sliskovic.Stream water temperature prediction based on Gaussian process regression[J].Expert Systems with Application，2013，40（18）：7407-7414.

[3]Semih，Soner，Selin.Energy efficiency assessment for the Antalya region hotels in Turkey[J].Energy& Buildings，2006，38（8）：964～971.

[4]楊昌軍，陳渭民，羅玲，等.高斯權(quán)重法在溫度場插值中的應(yīng)用研究[J].南京氣象學(xué)報，2004，27（5）：606-614.

[5]李珠，張澤平，劉元珍，等.建筑節(jié)能的重要性及一項新技術(shù)[J].工程力學(xué)，2006，23（z2）：141-149.