CN104634484A - 基于围护结构变化热阻的冬季供暖运行峰值负荷获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于围护结构变化热阻的冬季供暖运行峰值负荷获得方法，在节能建筑供暖系统设计负荷的基础上，考虑节能建筑保温层内含湿量及其相变对围护结构热阻的影响，为节能建筑群(小区)冬季供暖系统的运行调节提供基于围护结构变化热阻的运行峰值负荷，使得城市能源提供者可以根据更精确、更符合实际的供暖系统运行峰值负荷来调节供暖负荷，避免出现能源供给不足或不及时的民生问题。

Description

基于围护结构变化热阻的冬季供暖运行峰值负荷获得方法

技术领域

本发明涉及建筑材料性能测量评估的技术领域，特别地，涉及一种基于围护结构变化热阻的节能建筑群冬季供暖运行峰值负荷的获得方法。

背景技术

自二十世纪七十年代以来，由于世界性的能源紧张，一些国家采取了严厉的政策以提高设备和建筑的能效，在国务院颁布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》(2006-2020年)中，建筑节能被列为重点领域和优先主题之一。但在在以往的节能建筑能耗设计计算及供能系统调节中，其建筑能耗中的围护结构能耗只是受室内外环境因素的影响，没有考虑到围护结构自身的热阻变化对能耗的影响，尤其是新建建筑，将会导致冬季供暖系统设计负荷达不到设计的室内舒适性标准，产生阴冷潮湿的感觉。

在现有的建筑材料热物理性质表中，热物性参数是建筑材料在某一含湿状态下的热物性参数值，在进行相关的理论研究及工程应用中，大部分忽略了含湿量变化对其的影响。目前，对节能建筑供暖系统的设计和运行调节都没有考虑保温层内含湿量的热质耦合传递及相变对围护结构热阻的影响。但实际上，建筑的围护结构是典型的多层多孔结构，围护结构内的热传递、湿传递及空气渗透是一个典型的热质耦合传递过程。建筑围护结构的热湿传递会影响建筑物的热工性能，进而影响建筑能耗。文献[MilosJerman,RobertCerny。Effect of moisturecontent on heat and moisture transport and storage properties of thermal insulation materials.Energyand Buildings 53(2012)39–46]指出在与能耗相关的任何评估、评价中尤其是保温材料忽略热湿传递的影响都不是一个好办法，未考虑含湿量影响的热损失评估远远偏离于真实值。

在考虑建筑材料内部的热湿(质)耦合传递时，建筑材料内含湿量的多少及迁移会影响其热物性参数。若为建筑保温材料，内部的含湿量变化对热物性参数的影响将更大(含湿量的导热系数等热物性参数远大于保温材料)，对节能建筑的保温性能、建筑供暖能耗及耐久性都将产生不可忽略的影响。

目前对节能建筑冬季供暖系统进行设计时，围护结构均以固定热阻计算的供暖系统峰值负荷(设计负荷)，没有考虑围护结构内含湿量及其传递的影响，但在设备选型时会留有一定的富裕度(约10％)。因此在新建节能建筑供暖系统运行调节时，在设计负荷的基础上，考虑围护结构保温层内的含湿量及其传递和相变对供暖能耗的影响，重新确定节能建筑供暖系统的年运行峰值负荷，使其更接近实际，节能建筑也可达到更加舒适的室内环境。

发明内容

本发明目的在于在为新建节能建筑群(小区)冬季供暖系统的运行调节提供一种基于围护结构变化热阻的运行峰值负荷的获得方法。

为实现上述目的，本发明提供了基于围护结构变化热阻的建筑群冬季供暖运行峰值负荷的获得方法，包括以下步骤：

步骤一、获取围护结构的相应保温层有效导热系数计算值λ_eff计，计算公式为：

λ_eff计＝0.2w_平均+λ_dry；

w_平均为保温层内的平均体积含湿量，λ_dry为保温层干燥状态的导热系数；

步骤二、在保温层有效导热系数计算值和供暖系统设计室内外环境条件下，计算保温层平均含湿量冻结温度所在位置到保温层外表面距离x_计，计算公式为：

其中，R_其它为根据设计资料查得的围护结构除保温层外的其它层热阻之和，R_外为围护结构保温层外侧各层材料的热阻之和，t_i,t_o分别为供暖系统供暖负荷室内外设计温度，t_x为保温层内含湿量冻结温度，L为保温层厚度；

步骤三、计算得到保温层冻结实际厚度x；

其中，λ_eff液＝0.29w_内+λ_dry，λ_eff固＝1.23w_外+λ_dry，w_内、w_外分别为步骤二计算的冻结位置内侧和外侧的平均含湿量；

步骤四、计算保温层有效热阻R_eff保，计算公式为：

其中，

R_eff固为保温层内含湿量结冰部分的热阻，R_eff液为未结冰部分的热阻；

步骤五、计算节能建筑围护结构总有效热阻R_eff；

步骤六、若满足n％为设定值，则以设计供暖总负荷Q_总为此节能建筑群该年度供暖系统运行优化峰值负荷Q_优，即Q_优＝Q_总；

若不满足，则按下式确定供暖系统运行峰值负荷的优化值Q_优：

R_设为节能建筑围护结构设计热阻，P是设计总负荷中围护结构设计负荷所占的比例。

优选地，步骤一获取围护结构的相应保温层有效导热系数计算值λ_eff计的步骤前包括：

测量预先埋设在保温层内各测点的液态体积含湿量；

根据测得的含湿量值，计算得到保温层内的平均体积含湿量w_平均。

优选地，沿保温层厚度方向均匀布置5-8个测点，在保温层内外表面各布置一个测点。

优选地，步骤一中的干燥状态为：将被测试样品进行干燥，定期称重直至重量不再发生变化，即认为被测试样品达到干燥状态。

优选地，分别计算保温层x_计位置内侧和外侧含湿量的平均值w_内、w_外；w_内为埋设在x_计位置内侧的各测点含湿量平均值，w_外为埋设在x_计位置外侧的各测点含湿量平均值。

优选地，若步骤六中Q_优≤Q_总，则以后各年度均以设计负荷为运行峰值负荷。

本发明具有以下有益效果：

本发明在节能建筑供暖系统设计负荷的基础上，考虑节能建筑保温层内含湿量及其相变对围护结构传热系数热阻的影响，为新建节能建筑群(小区)冬季供暖系统的运行调节提供一种基于围护结构变化热阻的运行峰值负荷的获得方法，使得城市能源提供者可以根据更精确、更符合实际的供暖系统运行峰值负荷来预计供暖负荷，避免出现能源供给不足或不及时的民生问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的流程图；

图2是本发明优选实施例的围护结构测温点位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1、图2，基于围护结构变化热阻的运行峰值负荷的获得方法的各个步骤如下：

步骤一：根据设计资料，确定节能建筑围护结构的多层多孔材料，确定围护结构设计热阻R_设、节能建筑的供暖设计总负荷Q_总、及总负荷中围护结构负荷所占的比例P；

步骤二：在围护结构的保温层内埋设均匀分布的含湿量测点；

步骤三：在进入年度供暖期之前，测量步骤二预先埋设的各测点液态体积含湿量；

步骤四：根据步骤三测量的含湿量值，求保温层内的平均体积含湿量w_平均，获得对应的保温层有效导热系数计算值λ_eff计，计算公式为；

λ_eff计＝0.2w_平均+λ_dry；

步骤五：根据室内外设计温度，稳态时热流密度相同，由步骤一设计资料查得的其它层热阻R_其它及步骤四的有效导热系数计算值λ_eff计，计算有效导热系数计算值条件下，保温层平均含湿量冻结温度所在位置到保温层外表面距离x_计，以此值作为计算保温层冻结厚度。

计算公式为：

其中，R_其它为设计资料查得的其它层热阻，R_外为保温层外各层材料的热阻之和，t_i,t_o分别为供暖系统供暖负荷室内外设计温度，t_x为保温层内含湿量冻结温度，L为保温层厚度；

步骤六：根据步骤二含湿量的测量值，分别计算保温层x_计位置内侧和外侧各测点含湿量的平均值w_内、w_外；

步骤七：根据步骤六获得的w_外和w_内及保温层的实际冻结厚度x获得保温层内含湿量结冰部分热阻R_eff固和未结冰部分热阻R_eff液的表达式；供暖期保温层的有效热阻R_eff保由R_eff固和R_eff液组成；根据室内外设计温度，稳态时热流密度相同，计算保温层实际冻结厚度x：

步骤八：根据步骤七获得的保温层冻结厚度值，计算保温层有效热阻R_eff保，计算公式为：

其中，λ_eff固＝1.23w_外+λ_dry，λ_eff液＝0.29w_内+λ_dry；

R_eff固为保温层内含湿量结冰部分热阻，R_eff液为未结冰部分热阻，其计算公式为：

根据步骤一设计资料查得的其它层热阻R_其它，计算节能建筑围护结构总有效热阻R_eff；

步骤九：根据步骤九获得的节能建筑围护结构总有效热阻R_eff和步骤一查得的围护结构设计热阻R_设，若满足则以设计供暖总负荷Q_总为此节能建筑群(小区)该年度供暖系统运行优化峰值负荷Q_优，即Q_优＝Q_总；若不满足，则按下式确定供暖系统运行峰值负荷的优化值Q_优：

步骤十：根据步骤十结果，若Q_优≤Q_总，则以后各年度皆以设计负荷为运行峰值负荷；若Q_优＞Q_总，当年以优化峰值负荷Q_优为运行峰值负荷；且次年供暖季，重复步骤三至步骤九，确定此节能建筑群(小区)供暖系统运行峰值负荷优化值Q_优。

以下为具体实施例。

实施例一、

本例以哈尔滨某节能建筑小区为例，根据该小区供暖设计资料：室内设计温度18度，哈尔滨采暖室外设计温度-26度，供暖系统供热设计负荷为601.5KW，其中墙体负荷(不含外窗)的比例P＝29.4％，其墙体材料从室内至室外依次为混合砂浆层10mm、炉渣混凝土层240mm、聚乙烯苯板保温层100mm、水泥砂浆层10mm、最外层为10mm厚釉面砖。围护结构的设计热阻R_设为2.99m²K/W，除保温层外其它层的热阻R_其它为0.61m²K/W，保温层外侧各层的热阻R_外为0.06m²K/W。

膨胀聚乙烯苯板(EPS)保温层干燥导热系数0.037W/m K，孔隙率98.4％，冻结温度取-3度。沿保温层厚度方向均匀布置5个测点(内外表面各布置一个测点，用于测量保温层受潮后的含湿量变化)，第一年保温层内含湿量分布较均匀，使用墙体水分仪测试液态体积含湿量，各测点含湿量均为2.1％，计算获得保温层的平均体积含湿量w_平均为2.1％，则对应的有效导热系数λ_eff计为：

λ_eff计＝0.29*0.021+0.037＝0.043W/m K

根据室内外设计温度，稳态时热流密度相同：

计算冻结温度所在位置到保温层外表面距离x_计：

测试计算得保温层内外的平均体积含湿量w_内＝2.1％、w_外＝2.1％，

λ_eff固＝1.23*0.021+0.037＝0.063W/m K

λ_eff液＝0.29*0.021+0.037＝0.043W/m K

节能建筑围护结构总有效热阻R_eff：

根据室内外设计温度，稳态时热流密度相同：

计算保温层实际冻结厚度x：

计算得x＝0.075

计算节能建筑围护结构总有效热阻R_eff：

取n％＝10％：

$\frac{|2.99-2.38|}{2.38}=25.6\%\≤10\%$ 不成立

相当于第一年供暖峰值负荷(与设计负荷相比)增加7.54％，则供暖部门第一年应提供大于设计负荷的供暖能源，以避免新建建筑居住者入住阴冷潮湿的室内环境。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于围护结构变化热阻的建筑群冬季供暖运行峰值负荷的获得方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取围护结构的相应保温层有效导热系数计算值λ_eff计，计算公式为：

λ_eff计＝0.2w_平均+λ_dry；

w_平均为保温层内的平均体积含湿量，λ_dry为保温层干燥状态的导热系数；

步骤二、在保温层有效导热系数计算值和供暖系统设计室内外环境条件下，计算保温层平均含湿量冻结温度所在位置到保温层外表面距离x_计，计算公式为：

其中，R_其它为根据设计资料查得的围护结构除保温层外的其它层热阻之和，R_外为围护结构保温层外侧各层材料的热阻之和，t_i,t_o分别为供暖系统供暖负荷室内外设计温度，t_x为保温层内含湿量冻结温度，L为保温层厚度；

步骤三、计算得到保温层冻结实际厚度x；

其中，λ_eff液＝0.29w_内+λ_dry，λ_eff固＝1.23w_外+λ_dry，w_内、w_外分别为步骤二计算的冻结位置内侧和外侧的平均含湿量；

步骤四、计算保温层有效热阻R_eff保，计算公式为：

其中，R_eff固为保温层内含湿量结冰部分的热阻，R_eff液为未结冰部分的热阻；

步骤五、计算节能建筑围护结构总有效热阻R_eff；

步骤六、若满足n％为设定值，则以设计供暖总负荷Q_总为此节能建筑群小区该年度供暖系统运行优化峰值负荷Q_优，即Q_优＝Q_总；

若不满足，则按下式确定供暖系统运行峰值负荷的优化值Q_优：

R_设为节能建筑围护结构设计热阻，P是设计总负荷中围护结构设计负荷所占的比例。

2.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，步骤一获取围护结构的相应保温层有效导热系数计算值λ_eff计的步骤前包括：

测量预先埋设在保温层内各测点的液态体积含湿量；

根据测得的含湿量值，计算得到保温层内的平均体积含湿量w_平均。

3.根据权利要求2所述的获得方法，其特征在于，沿保温层厚度方向均匀布置至少四个测点，在保温层内外表面各布置一个测点。

4.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，步骤一中的干燥状态为：将被测试样品进行干燥，定期称重直至重量不再发生变化，即认为被测试样品达到干燥状态。

5.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，分别计算保温层x_计位置内侧和外侧含湿量的平均值w_内、w_外；w_内为埋设在x_计位置内侧的各测点含湿量平均值，w_外为埋设在x_计位置外侧的各测点含湿量平均值。

6.根据权利要求1所述的获得方法，其特征在于，若步骤六中Q_优≤Q_总，则以后各年度均以设计负荷为运行峰值负荷。