建筑熱惰性對輻射供暖系統蓄熱策略影響研究

姜鍍輝 崔紅社* 楊佳林 高屾

青島理工大學環境與市政工程學院

0 引言

由于建筑圍護結構具有一定熱惰性，使熱源供應的熱量無法直接反映在地板表面溫度變化上，且周期性動態變化的室外氣象條件也無法直接反應在室內溫度變化上。有效地利用建筑圍護結構的熱惰性，對于間歇性供暖的建筑，可以降低建筑能耗，在提高室內舒適性以及緩解用電壓力等方面發揮的作用已得到廣泛的認可[1-3]。但針對于連續性供暖的住宅建筑，利用建筑圍護結構的熱惰性進行蓄熱，制定合理的蓄熱運行策略，并分析不同建筑熱惰性對蓄熱運行策略的影響，研究的還較少。

因此，本文以寒冷地區100m2典型連續性供暖的農村獨立民居為對象，在TRNSYS軟件平臺上構建了以空氣源熱泵為熱源的地板輻射供暖系統仿真計算模型，結合GenOpt軟件上的Hooke-Jeeves算法對供暖系統運行策略進行優化。考慮當地峰谷電價，以采暖季運行費用最低為目標，得到在外墻傳熱系數不變的前提下，不同建筑外墻熱惰性下的最佳蓄熱溫度與蓄熱時間，并分析建筑外墻熱惰性的改變對供暖系統蓄熱策略的影響規律。

1 模型搭建

建筑地點位于北京，共有左臥室、客廳、中臥室、廚房4個供暖房間，為單層居住建筑，層高3.2m，總供暖面積100m2。根據GBT50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》相關規定和要求，對文獻[4]中的寒冷地區典型農村居住建筑圍護結構進行改造，外墻增加8cm膨脹聚苯板外保溫，窗戶改為中空玻璃，改造后的圍護結構傳熱系數如表1所示。

表1 改造后圍護結構傳熱系數

該典型建筑通風換氣次數為1次/h，南向窗墻比為0.1，北向窗墻比為0.05。地板輻射采暖表面為水泥，最下方設置隔熱層，填充層為60mm混凝土。地埋管為DN20的PE管，管間距200mm。共有4路盤管，各路管長分別為97m、89m、96m、95m。典型農村居住建筑供暖盤管平面圖如圖1所示。

圖1 典型農村居住建筑供暖盤管平面圖

采用空氣源熱泵為系統提供熱量，空氣源熱泵選擇麥克維爾風冷熱泵MACO50ER5-AE，水泵選擇臥式多級離心泵，效率0.5，揚程17m，流量2.5m3/h。該系統設備參數如表2所示。

表2 系統設備參數

采用麥克維爾提供的空氣源熱泵性能測試數據，通過文獻[5]對熱泵機組制熱性能系數進行除霜修正，使用FORTRAN編寫新的空氣源熱泵模塊type237。供暖系統用到的TRNSYS部件包括：空氣源熱泵type237、水泵type3b、雙位控制器type2b、時間控制器type14h、氣象數據讀取器type109、建筑模型type56、焓濕圖type33e、有效天空溫度計算type69b、TRNOPT優化模塊等。天氣文件采用北京典型氣象年TMY2數據文件，TRNSYS仿真系統如圖2所示。

圖2 TRNSYS仿真系統

假設條件：

1）系統未考慮壓力變化對水泵能效的影響，

2）系統未考慮機組到盤管間管道散熱損失，

3）目前只針對熱泵機組供熱的研究，若有制冷需求，末端可添加風機盤管。

2 墻體熱惰性對蓄熱運行策略的影響

2.1 利用建筑本體蓄熱運行策略

空氣源熱泵供水溫度早6點到晚6點為42℃，晚6點到早6點為40℃。通過檢測室內溫度，調整各房間支路上的電磁閥開度來保證室內設定溫度。非蓄熱時段各房間室內溫度設定為18℃，蓄熱時段室內溫度設定為18-22℃，蓄熱時間為谷時段結束前10h以內。

2.2 建筑熱惰性指標

熱惰性指標D是評價圍護結構熱工性能的重要參數，是表征圍護結構對溫度波衰減快慢程度的無量綱指標，D值大小直接關系到溫度波衰減度和延遲時間。熱惰性指標表達式如式（1）。

式中：λ為材料導熱系數，W/(m·K)；c為比熱，W·h/(kg·K)；ρ為材料密度，kg/m3；δ為材料層厚度，m。

表3為不同墻體構造參數，通過改變保溫材料厚度，使得增加不同保溫材料后的墻體導熱系數相同。

表3 墻體構造參數

2.3 優化過程與結果

在保證室內溫度的前提下，以采暖季熱泵機組與水泵的運行費用最低為目標，由于有蓄熱溫度與蓄熱時間兩個變量，兩個變量之間相互耦合，且建筑熱惰性對蓄熱運行策略影響的精度要求較高，采用單因素法難以取得準確的優化結果，因此采用 Hooke-Jeeves算法進行尋優。Hooke-Jeeves算法適用于變量個數少，變量為連續變量的精細化尋優。在處理實驗次數龐大的案例時，具有收斂速度快、適應性強等優點。其方法包含著全局搜索與使用坐標搜索方法的局部搜索，兩種方法交替進行直至滿足收斂條件，得到取得目標函數最小點。Hooke-Jeeves算法優化流程如圖3所示。

圖3 Hooke-Jeeves算法優化流程圖

蓄熱溫度范圍為18～22℃，蓄熱時間范圍為0～10 h。北京農村地區峰谷電價如表4所示，構造1～4的優化結果分別如圖4～7所示。

表4 北京農村地區居民用電峰谷電價

圖4 構造1優化結果

圖5 構造2優化結果

圖6 構造3優化結果

圖7 構造4優化結果

圖4～7為構造1～4的優化結果，圖中橫坐標為計算步數，縱坐標分別為蓄熱時間、采暖季運行費用、蓄熱溫度。根據構造1～4的優化結果，得到不同外墻構造采暖季運行費用如表5所示。

表5 不同外墻構造采暖季運行費用

隨著建筑熱惰性指標的改變，最優蓄熱溫度在19.6℃左右，最優蓄熱時間在6h左右，最優蓄熱策略運行費用節省比例在4%左右，且隨著建筑熱惰性指標的增加，無蓄熱策略與最優蓄熱策略運行費用隨之降低，最優蓄熱策略運行費用下降的速度更快。總體來看，隨著外墻熱惰性指標增大，最優蓄熱溫度略有升高，最優蓄熱時間升高，最優蓄熱策略運行費用節省比例略有增加。

3 結論

通過連接 TRNSYS內部各模塊，搭建空氣源熱泵輻射供暖系統計算模型并通過 GenOpt 軟件上的Hooke-Jeeves 算法對供暖系統蓄熱策略進行優化計算，運算過程收斂性好，說明TRNSYS與GenOpt能較好的處理供暖系統蓄熱運行策略優化問題，對制定供暖系統蓄熱運行策略具有極大的幫助。

以寒冷地區100 m2典型建筑為對象，結合當地電價，利用建筑圍護結構進行谷時段蓄熱。保持外墻傳熱系數不變的情況下，改變外墻熱惰性指標，隨著外墻熱惰性指標增大，蓄熱溫度略有升高，蓄熱時間升高，最優蓄熱策略運行費用節省比例略有增加。建筑外墻熱惰性指標在 5.4～7.6 之間，最優蓄熱溫度在19.5～20℃之間，最優蓄熱時間在 5～7 h 之間，最優蓄熱策略運行費用節省比例在3.6%～4.1%之間。