文｜中國汽車工業(yè)工程公司自控工程院 張成禮 劉麗萍 韓 俊

隨著社會的發(fā)展，人們對溫度環(huán)境舒適性的要求越來越高；同時，隨著世界能源供應(yīng)的日趨緊張，各國對節(jié)能工作也越來越重視。目前，供熱失調(diào)現(xiàn)象是供熱系統(tǒng)中普遍存在的問題，恰當(dāng)?shù)乜刂乒嶝摵?，獲得舒適節(jié)能的效果是供熱控制追求的目標(biāo)之一。

1 傳統(tǒng)供熱負荷控制方式

目前，國內(nèi)供熱負荷控制方式主要有“經(jīng)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(jīng)驗型”手動控制方式

這種控制方式是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗手動控制供熱量，受操作人員的經(jīng)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(nèi)溫度不穩(wěn)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(tǒng)根據(jù)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(zhǔn)確性和室內(nèi)溫度的穩(wěn)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(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射等天氣因素，是不全面的。同時，根據(jù)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(jié)構(gòu)因素、環(huán)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(tǒng)使用天氣預(yù)測接收器代替室外溫度傳感器，根據(jù)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(nèi)溫度的穩(wěn)定，建筑物獲得的熱能應(yīng)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(tǒng)提供的熱能、受太陽輻射獲得的熱能、設(shè)備和人員產(chǎn)生的熱量。建筑物損失的熱能包括通過建筑物外部結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)損失的熱能、因自然通風(fēng)和機械通風(fēng)損失的熱能。建筑物熱能平衡公式如下：

其中QN為供熱系統(tǒng)提供的熱量，QC為通過墻壁、窗戶和屋頂熱傳導(dǎo)損失的熱量，QF為機械通風(fēng)損失的熱量，QI為通過縫隙、窗戶、門的自然通風(fēng)損失的熱量，QG為通過地面熱傳導(dǎo)損失的熱量，QEP為設(shè)備和人員產(chǎn)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(tǒng)提供的熱量與等效溫度之間的關(guān)系如下：

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

（3）熱傳導(dǎo)的熱損失QC

通過墻壁、窗戶和屋頂傳導(dǎo)損失的熱量，按照下式計算：

其中Ti、To分別為室內(nèi)溫度和室外溫度，單位為℃；Uc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位為W/m2℃，其大小與建筑物結(jié)構(gòu)及風(fēng)向、風(fēng)速有關(guān)。

（4）機械通風(fēng)的熱損失QF

因機械通風(fēng)產(chǎn)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(shù)；V為通風(fēng)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(nèi)溫度和室外溫度，單位為℃。

（5）自然通風(fēng)的熱損失QI

通過縫隙、窗戶、門的自然通風(fēng)損失的熱量，按照下式計算：

其中ΔP為室內(nèi)外壓差，單位為Pa，其大小與建筑物結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)；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(nèi)和室外壓差的函數(shù)。

其中A為縫隙的有效面積，單位為m2；C為流量系數(shù)，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(shù)，取值為0.4～1，典型值為0.65。

（6）地面熱傳導(dǎo)的熱損失QG

通過地面熱傳導(dǎo)損失的熱量，按照下式計算：

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

（7）設(shè)備和人員產(chǎn)生的熱量QEP

建筑物內(nèi)的設(shè)備運行時會產(chǎn)生一定的熱量，熱量大小與設(shè)備數(shù)量、設(shè)備類型、設(shè)備功率有關(guān)。

建筑物內(nèi)的工作人員也會產(chǎn)生一定的熱量，熱量大小與人員數(shù)量、活動水平、穿著衣物有關(guān)。

（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(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與太陽光照射的方向有關(guān)。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(fā)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(shù)：

◆ 氣象數(shù)據(jù)：由天氣預(yù)測接收器接收未來24小時內(nèi)每小時的氣象預(yù)測數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、降水、太陽輻射等；使用氣象預(yù)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)：按照eGain軟件的要求，詳細輸入建筑物的平面和立面參數(shù)，建立建筑物三維模型；

◆ 建筑物環(huán)境數(shù)據(jù)：輸入目標(biāo)建筑物周圍的其他建筑物的情況，建立建筑物的環(huán)境模型；

◆ 建筑物位置數(shù)據(jù)：建筑物的緯度、經(jīng)度（λ）；

◆ 建筑物圍護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：主要指建筑物圍護結(jié)構(gòu)的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、蓄熱系數(shù)、比熱容等；

◆ 建筑物內(nèi)部的設(shè)備和人員數(shù)據(jù)；

◆ 室內(nèi)舒適環(huán)境條件的設(shè)定：主要指室內(nèi)溫度和換氣次數(shù)。

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

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(shù)據(jù)的投資和等效溫度計算軟件的投資。氣象數(shù)據(jù)的獲取有兩種方案：自建氣象站或通過網(wǎng)絡(luò)連接到氣象部門，購買氣象部門的氣象數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(nèi)溫度的穩(wěn)定性，提高了環(huán)境舒適度，同時可以節(jié)約能源10%左右（每年節(jié)約熱能約15kWh/m2）。

正在沈陽鐵西建設(shè)中的寶馬工廠將采用這一供熱負荷控制方式。