邵宗義 馬長明 韋梓春

北京建筑大學供熱、供燃氣通風及空調工程重點實驗室

公共建筑分時分區(qū)控制的能耗模擬分析

邵宗義 馬長明 韋梓春

北京建筑大學供熱、供燃氣通風及空調工程重點實驗室

本文對分時分區(qū)供熱節(jié)能進行了理論分析，通過能耗模擬軟件DeST-C對北京某辦公建筑在連續(xù)供熱和分時分區(qū)控制供熱兩種工況下的能耗進行了模擬計算。根據模擬數據分析了在兩種供暖模式下模擬建筑的耗熱量和建筑室內房間的溫度變化情況。實例模擬分析顯示，公共建筑采取分時分區(qū)控制技術供熱，能實現按需供熱，節(jié)能效果顯著。

連續(xù)供暖 分時分區(qū)控制 節(jié)能 能耗比較

0 引言

目前建筑能耗占我國全社會終端能耗的比例約為27.5%。北方城鎮(zhèn)集中供熱采暖能耗占全國城鎮(zhèn)建筑總能耗40%，為建筑能源消耗的最大組成部分，因此集中供熱節(jié)能應該是我國建筑節(jié)能工作中潛力最大、最主要的途徑，應該作為當前開展建筑節(jié)能工作的重點。

集中供熱系統(tǒng)服務對象不僅包含居住建筑還包含學校、辦公樓、會場、活動中心等公共建筑。居住建筑一天均有人員，要求室內溫度全天維持在一個恒定的狀態(tài)；而辦公建筑只需要在工作時間滿足人員舒適要求，在非辦公時間保持防凍溫度即可。特別是對于有長時間寒假的學校類建筑，寒假期間無人停留，如果持續(xù)供熱會導致大量能源的浪費。但是傳統(tǒng)混合的供熱系統(tǒng)在設計初期沒有對公共建筑做特別設計，是和居住建筑一樣進行連續(xù)24小時供熱。這種集中供熱系統(tǒng)有以下缺點：由于公共建筑在非辦公時間無供熱的需求，只要保持一定溫度防止水管凍裂就可以；但是原有系統(tǒng)連續(xù)供熱，這就使得公共建筑在非辦公時間內獲得了大量的熱量而造成不必要的能源浪費；另外，由于循環(huán)水泵要提供非辦公時間辦公樓的循環(huán)動力也就造成循環(huán)泵在非辦公時間的電能浪費[1]。因此對于辦公建筑、商業(yè)建筑、學校等公共建筑采取分時分區(qū)供熱是很有效的節(jié)能方式。本文通過理論分析和實際工程案例模擬來討論對公共建筑采取分時分區(qū)供熱的節(jié)能性。

1 分時分區(qū)供熱控制原理

分時分區(qū)控制供熱既能滿足人們對舒適性的要求又能最大限度地節(jié)能。根據公共建筑的使用特點，同時充分考慮圍護結構保溫性能和圍護結構的蓄熱延遲性,對不同建筑物采用分時分區(qū)供熱調節(jié)手段,實現按需供熱,從而減少不必要的能源浪費。根據公共建筑使用時間的差異，在無人停留的時間內通過在樓棟熱力入口供回水管上設置電動調節(jié)閥，通過控制器調節(jié)電動調節(jié)閥門的開啟狀態(tài)來調節(jié)系統(tǒng)的供水流量以達到對建筑不同時段溫度的控制。同時設置檢測建筑物管內水溫的裝置，以避免室內過低及管道凍裂。圖1為分時分區(qū)控制系統(tǒng)的原理圖。

圖1 分時分區(qū)控制系統(tǒng)原理圖

采用分時分區(qū)供熱的方案和原則[2]:在建筑使用時間內保證正常的室內采暖溫度，在非使用時間通過分時分區(qū)控制降低室內溫度；建筑面積過小的建筑、醫(yī)院建筑及全天24小時有人的建筑不宜采取分時分區(qū)供熱。

2 分時分區(qū)供熱節(jié)能的理論分析

本文采用面積熱指標法[3～4]對建筑進行整個采暖季熱負荷及采用分時分區(qū)供熱時的熱負荷進行計算，并得出采用分時分區(qū)供熱的節(jié)能率。

采用24小時不間斷供熱時供熱量為：

式中：Q為供熱期間供熱量，GJ；A為供熱面積，m2；N為供熱天數。

采用分時分區(qū)供熱建筑正常使用時間供熱量為：

式中：N1為整個供暖期間節(jié)假日、周末的天數；m為建筑每天正常使用時間。

建筑采用值班溫度時的供熱量為：

采用分時分區(qū)供暖的節(jié)能率為：

以北京市某一辦公建筑為例，建筑供熱時間為周一至周五的4:00～20:00，m為16h，N為120天，N1為26天，室內設計溫度為18℃，值班采暖溫度為8℃，室外平均溫度為-0.7℃，分別代入以上代入公式計算得：節(jié)能率為約為34.3%。

3 工程實例模擬

3.1 建筑模型

所選建筑為北京市某科研所辦公樓，辦公樓和其他兩棟住宅樓、一棟實驗樓由鍋爐房集中供熱。建筑共六層，層高為3.1m，建筑總面積為11426m2，建筑人均面積為8m2/人，建筑窗墻比約為20%，外窗玻璃類型為普通6mm單層玻璃（傳熱系數5.7W/(m·2K)、遮陽系數SC值0.85），外墻傳熱系數為2.036W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂禐?.535W/(m2·K)；冬季辦公室內新風靠門窗滲透來，滲透換氣次數為0.5次/小時，辦公設備、照明設備負荷密度均為11W/m2；照明開關時間、房間人員逐時在室率、設備逐時使用率按《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2005[5]設定。室內設計溫度為18℃，按國家規(guī)定北京供暖期為每年11月15日至次年3月15日。

利用能耗模擬軟件，通過改變建筑供暖時間來對比建筑采暖能耗。具體方案是：模擬辦公樓24h連續(xù)供熱的工況，分析能耗及典型房間溫度變化；模擬工況4:00～20:00供熱，分析能耗及典型房間溫度變化，比較兩種工況下的能耗。

3.2 能耗模擬結果及分析

在此利用能耗模擬軟件DeST-C進行模擬，計算該辦公建筑在連續(xù)供暖和分時分區(qū)供暖兩種模式下的冬季供暖負荷和室內溫度的變化情況。DeST給出了典型氣象年中的相關氣象參數，根據冬季供暖室外計算溫度確定供暖初期、中期、末期數據分析的典型日，然后分析采暖期建筑熱負荷和室內熱環(huán)境波動情況。

對辦公建筑實行分時分區(qū)控制，屬于間歇供暖[6]，停止供暖時，室內溫度會有一定的下降。而且隨著室外溫度的變化，分時分區(qū)供暖對室內的影響也不相同。

下面以對辦公樓供熱采取分時分區(qū)控制時的建筑逐時負荷進行分析。

分析辦公樓的逐時耗熱量，選取三個典型日的逐時耗熱量進行分析，如圖2所示。由圖2可以看出，在分時分區(qū)控制的工況下，早上在樓棟入口電動閥門開啟時，由于經過幾個小時的停暖之后室溫和供水溫度的溫差比連續(xù)供暖時偏大，建筑的逐時耗熱量有一個突然的增大，閥門開啟后的兩個小時內，耗熱量比正常情況下高出很多，但2h后，逐時耗熱量和正常供暖下的逐時耗熱量相差不大。說明此時室內溫度已經與連續(xù)供暖時室內溫度相差不大，再經過兩個小時的供暖室內溫度能達到舒適要求。

圖2 辦公樓逐時耗熱量

分析典型房間的溫度，選取六層的一個典型辦公室作為分析對象。房間在采暖初期、中期、末期的溫度變化如圖3所示。由圖可以看出，當對辦公樓進行分時分區(qū)控制時，室內溫度會在夜間停止供暖時逐漸下降，早上開啟供暖時，逐步升高。開始停暖時溫降較快，2小時后溫降速度變慢。采暖初期和末期，由于室外溫度較高，分時分區(qū)控制時室內溫降比較小，平均溫降為4.25℃，而在寒冷期室內溫降相對比較大，室內溫度低至10.63℃。但仍高于值班供暖溫度，水管不會有凍裂的危險，但預熱時間相應變長。

圖3 不同采暖時期典型房間室內溫度變化情況

分析連續(xù)24h不間斷供暖和分時分區(qū)供暖兩種不同工況的逐日熱負荷，二者的比較見圖4。由圖可以看出，連續(xù)供暖的逐日耗熱量幾乎全部大于按分時分區(qū)控制技術供熱的逐日能耗，也即整個供暖期內采用分時分區(qū)控制技術供熱在滿足室內溫度要求的情況下更節(jié)能。模擬的建筑能耗報告顯示，連續(xù)供暖時辦公樓采暖季熱負荷指標為31.4W/m2，而采用分時分區(qū)供熱時采暖季熱負荷指標為22.5W/m2，節(jié)能率為29.9%。

圖4 供暖期逐日耗熱量

4 結語

通過能耗模擬軟件DeST-C對連續(xù)供暖和分時分區(qū)控制供熱兩種工況的模擬計算，并對數據分析，得出以下結論：

1）公用建筑按分時分區(qū)控制供熱相比連續(xù)供熱是節(jié)能的，本文中模擬的辦公樓節(jié)能率達到了29.9%，可見對辦公樓、寫字樓、學校建筑等公共建筑采取分時分區(qū)供暖是一個非常節(jié)能的調節(jié)方法。

2）對建筑采取分時分區(qū)控制時，建筑的逐日能耗比連續(xù)供暖逐日能耗小。分時控制時，開啟閥門后的前兩個小時，由于室內溫度低，辦公樓耗熱量比連續(xù)供暖高很多，但兩個小時后耗熱量恢復正常。

3）無論是采暖初期、中期還是末期，分時控制對室內溫度的影響如果控制得當，不會對建筑正常使用造成不利影響。采暖初期和采暖末期對公共建筑進行分時控制，對室內溫度影響較小，能夠以最小的溫度代價來獲取最大的節(jié)能效益。為了更好地對公共建筑進行分時控制，分時分區(qū)裝置應當能夠根據室外溫度自動調節(jié)預熱時間，當天氣變得冷些，預熱時間就要長些，當天氣變暖的時候，預熱時間就變短些。

4）由于每棟建筑具有不同的使用情況，不同的圍護結構熱工參數等，應采取不同的分時分區(qū)調控策略，建筑室內溫升和溫降也會有所不同。

[1]單曉平.集中供熱系統(tǒng)按建筑分時供暖方法[J].遼寧:遼寧科技大學學報,2009,32(5):502-504

[2]穆連波,張春蕾,王炳南.供熱系統(tǒng)分時分區(qū)控制節(jié)能實測分析[J].北京:暖通空調,2013,43(6):109-112

[3]趙建會,張劉剛,符新燕.公共建筑分時分溫供暖節(jié)能研究及效益分析[J].西安:西安科技大學學報,2010,30(3):336-339

[4]冉春雨,周曉亮,王春清.采用量調節(jié)分區(qū)分時供暖應用研究[J].吉林:吉林建筑工程學院學報,2009,26(1):75-78

[5]中華人民共和國建設部.公共建筑節(jié)能設計標準(GB50189-20 05)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[6]李兆堅,江億,燕達.住宅間歇供暖模擬分析[J].暖通空調,2005, 35(8):110-113

Ene rgy Cons um ption Sim ula tion a nd Ana lys is of Tim e a nd Zone Control for Public Buildings

SHAO Zong-yi,MA Chang-ming,WEI Zi-chun
HVAC Key Laboratory in Beijing,Beijing University of Architecture

This paper makes a theoretical analysis of energy conservation of time and zone control for heating system. An office building of Beijing is simulated in two cases of continuous heating and time and zone control heating through the energy simulation software of DeST-C.According to the simulation data We analysis heating consumption and the temperature variation of typical room of the building in two kinds of heating mode.Engineering example simulation shows that public buildings which take time and zone control for heating system can achieve the required heating and energy-saving effect is remarkable.

continuous heating,time and zone control,energy conservation,energy consumption comparison

1003-0344（2015）02-075-4

2013-9-29

邵宗義（1961～），男，碩士，設備總工；北京市西城區(qū)展覽館路1號北京建筑大學3號樓213室（100044）；E-mail:shaozongyi@126.com